Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Юрьев.уч.пособие. ФИЗИКА.ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ-...doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
3.22 Mб
Скачать

5.Особенности теплообмена излучением в металлургических печах

Основные технико-экономические показатели работы высокотемпе-ратурных электрических или пламенных металлургических печей – произ-водительность, расход тепловой энергии, время нагрева или плавления металла (сплава) - во многом определяются организацией теплообмена излучением. Более того, если тепловая обработка ведется в вакууме, то этот вид теплообмена в электропечах сопротивления и дуговых является един-ственным, обеспечивающим передачу теплоты нагреваемому металлу. В пламенных печах, в электропечах с рециркуляцией газа роль теплообмена излучением благодаря развитию конвекции несколько снижается, но даже в этих условиях остается высокой. В печах для нагрева и плавления черных металлов доля теплообмена излучением в общем тепловом балансе достигает 80-90%.

Формирование потоков излучения в рабочем пространстве метал-лургических печей, как это следует из предыдущего материала, определяется температурами излучателей, их радиационными свойствами оптико-гео-метрическими характеристиками. Некоторые из этих параметров могут быть целенаправленно изменены. Так, обогащая дутье кислородом, можно поднять температуру в факеле. Покрывая нагреваемый металл специи-альными красками, меняют радиационные свойства его поверхности. Конст-руируя элементы рабочего пространства печей, добиваются улучшения оптико - геометрических характеристик. Следует также отметить, что последние существенным образом зависят от степени запыленности движущегося в печи газа. В свою очередь содержание пыли в газе определяется не только видом топлива (например, пылеугольным), но и состоянием обрабатываемого материала (кусковым, мелкодисперсным и т.д.), условиями его загрузки, перемещения, выгрузки и пр.

Современное состояние теории теплообмена излучением позво-ляет учитывать особенности, проявляющиеся при проектировании метал-лургических печей и тепловых агрегатов. Активное развитие теории посто-янно расширяет перечень задач, решение которых используются в инже-нерной практике.

5.1.Теплообмен излучением в пламенных печах

В подавляющем большинстве металлургических печей используют для получения тепловой энергии топливо разных видов, продукты сгорания которого и являются основными энергоносителями. Теплообмен между ни-ми и подвергаемым тепловой обработке материалом определяет многие показатели работы печи и качество получаемого продукта. Помимо газов в процессе теплообмена излучением участвует и футеровка. Обычно прини-мают, что кладка не поглощает падающего потока излучения и не передает эту теплоту в окружающее печь пространство. Фактически через кладку печи всегда теряется теплота, но при этом считают, что потери теплоты кладкой компенсируются теплоотдачей газов за счет явлений конвекции. В связи с этим адиабатной при теплообмене излучением кладке отводится роль посредника - переизлучателя теплоты от газов через кладку на материал.

Прежде чем приступить к более подробному анализу, отметим, что впервые теплообмен излучением в рабочем пространстве печей был проанализирован Тимофеевым при следующих допущениях: температуры и степени черноты в объеме печи и по поверхностям материала и кладки сохраняются постоянными, для всех элементов системы справедливы законы Стефана-Больцмана и Ламберта.

Рассмотрим систему, состоящую из трех элементов: газ, металл, клад-ка (рис.5.1). С учетом изложенного необходимо определить плотность ре-зультирующего потока излучения на металл от печных газов, имея в виду косвенную передачу теплового излучения, обусловленного наличием клад-ки, без учета передачи теплоты от газа к металлу посредством конвекции.

Рис. 5.1. К анализу теплообмена излучением в пламенных печах

Для решения поставленной задачи необходимо записать выражение для результирующего потока излучения на металл , представив его как разность потоков падающего и собственного излучений. Пада-ющее излучение – эффективное излучение газа и кладки , дошедшее до металла. При этом надо помнить, что не всё эффективное излучение кладки доходит до металла; только часть его в соответствии с угловым коэффициентом и радиационными свойствами газа попадает на металл:

+ - , (5.1)

где и - степени черноты металла и газа.

Если величина потока эффективного излучения легко может быть описана законом Стефана-Больцмана

, (5.2)

то для оценки потока эффективного излучения кладки следует составить уравнение, которое бы учитывало условие =0, т.е. поток результирующего излучения на кладку отсутствует. Выше была отмечена роль кладки как переизлучателя. Это означает, что кладка обладает зеркальным отражением, ее степень черноты условно равна нулю и, как следствие, на кладке наблю-дается равенство потоков падающего и эффективного излучений. Поток па-дающего излучения включает поток эффективного излучения газа на кладку, поток эффективного излучения металла, ослабленного при прохождении через газ, и поток эффективного излучения кладки на кладку, также ослаб-ленного слоем газа. Интересующее уравнение включает

+ + - =0,

или имея в виду, что (свойство замкнутости), ,

+ + - =0. (5.3)

Решая (5.3), получим

= / . (5.4)

В полученном выражении появилась величина потока эффективного излучения металла , которая требует определения. Из анализа алгебры лучистых потоков (см.рис. 5.1. ) следует:

= + + . (5.5)

Множитель показывает долю потоков отраженного излучения.

Уравнения (5.1), (5.4) и (5.5) полностью математически формулируют задачу. Их решение любым способом позволяет получить при учете принципа взаимности ( ):

, (5.6)

где - приведенный коэффициент излучения от газов на металл с учетом той роли, которую играет кладка печных стенок и свода в процессах теплообмена излучением. Эту величину можно представить так:

= , (5.7)

где

(5.8)

В технической литературе эта формула часто встречается в виде:

(5.9)

В этой формуле + - ), - степень развития кладки.

В некоторых теплотехнических задачах, например, для оценки приме-нимости тех или иных огнеупорных материалов, требуется знать темпе-ратуру кладки . Можно рекомендовать формулу Тимофеева:

, (5.10)

где

или . (5.11)

Отметим, что увеличение потока результирующего излучения на ме-талл может быть достигнуто за счет изменения степени черноты газов и степени развития кладки. Ниже эти вопросы будут рассмотрены подробнее.

Наряду с изложенным методом анализа теплообмена излучением в пламенных печах известен также метод Будрина, который ввел в практику расчета понятие эквивалентного излучателя. Такой излучатель эквивалентен по своим радиационным свойствам реальному газовому объему; геомет-рически же он представляется в виде стержня или стенки, характеристики которых – размеры, угловые коэффициенты и пр., адекватны реальному излучателю.