2. Процессы теплообмена и аэродинамика газовых потоков в тепловых установках

2.1. Режимы теплообмена

2.1.1. Виды теплообмена и теплоносители в тепловых установках. Организация теплообменных процессов в тепловых установках технологии силикатных материалов является следующим после сжигания топлива ответственным и важным звеном в управлении их работой. Основными тепловыми установками в технологии силикатных материалов являются печи, сушилки и аппараты тепловлажностной обработки. Процессы взаимодействия в них между теплоносителем (факелом, горячими газами, воздухом или паром, источником лучистой энергии) и поверхностью нагрева в своей совокупности относятся к внешнему теплообмену, а процессы распространения (теплопередачи) теплоты внутри материала, в результате чего повышаются его температура и энтальпия до значений, требуемых технологией, составляют внутренний теплообмен. Как внешний, так и внутренний теплообмен происходит в результате конвекции, излучения, теплопроводности, причем не в чистом виде, а в их сочетании. Для печей и сушилок технологии силикатных материалов характерны лучистый, конвективный и смешанный (слоевой) режимы внешнего теплообмена, для установок тепловлажностной обработки  теплоотдача при конденсации пара.

Внутренний теплообмен характеризуется двумя режимами: кондуктивным и конвективным.

Интенсивность теплообмена в печах зависит от ее конструкции, вида и способа сжигания топлива, аэродинамики газов, температурного режима работы. Теплота, выделяемая в процессе горения топлива, в рабочем пространстве печей передается обрабатываемому материалу от факела (пламени), нагретых газов и кладки (футеровки). В пламенных высокотемпературных печах с большим объемом рабочего пространства (стекловаренные печи, зоны спекания вращающихся печей) основным теплоносителем являются горящий факел и продукты горения топлива. Кладка в них играет роль вторичного излучателя теплоты. В печах, рабочее пространство которых заполнено обжигаемым материалом или изделиями (шахтные, туннельные печи), основным теплоносителем служат продукты горения, движущиеся по извилистым каналам между кусков или по каналам внутри садки изделий. При этом большую роль в процессе теплоотдачи играют равномерность и скорость движения газов по сечению рабочего пространства.

Топочные газы и нагретый воздух, отработанные обжиговые газы являются теплоносителем большинства сушилок.

В установках тепловлажностной обработки в качестве теплоносителя используют насыщенный пар или влажный воздух.

Теплообменные процессы обычно сопровождаются массообменными процессами, которые также разделяются на внешние и внутренние.

2.1.2. Режимы внутреннего теплообмена. Кондуктивный режим характерен для твердых тел (материала, кладки) и жидкости, находящихся в покое. Нагрев их определяется критерием Био (Bi):

, (2.1)

где   коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² · К); х₀  полутолщина тела в направлении теплового потока, м; λ  коэффициент теплопроводности, Вт/(м · К).

При малых значениях Bi (менее 0,25) тело нагревается равномерно по толщине и внутренняя теплопередача не лимитирует процесс нагревания. Такие тела предложено называть тонкими.

При больших значениях Bi (более 0,5) перепад температур внутри тела при его нагревании может быть значительным, и такие тела принято называть массивными.

Следовательно, процесс нагревания тонких тел будет лимитироваться только условиями внешнего теплообмена, а процесс нагревания массивных тел  внутренней теплопередачей. При плавлении массивных тел интенсификация внешнего теплообмена ведет к ускорению процесса плавления и, следовательно, к уменьшению толщины и степени массивности. Поэтому процесс плавления лимитируется внешним теплообменом.

Конвективный режим внутреннего теплообмена характерен для нагрева расплавов, находящихся в движении (пневматическое или механическое перемешивание, естественная конвекция), нагрев которых также подчиняется условиям нагрева тонких и массивных тел.

Для интенсификации внешнего теплообмена для тонких тел и внутреннего теплообмена для массивных тел следует стремиться к увеличению отношения поверхности тела к его массе. Однако для интенсификации нагрева массивных тел необходима соответствующая теплоотдача на поверхность нагреваемого тела, которая определяется условиями внешнего теплообмена.

Таким образом, теплообменные процессы в тепловых установках силикатной технологии в основном определяются условиями внешнего теплообмена.

2.1.3. Режимы внешнего теплообмена. Конвективный режим внешнего теплообмена имеет место в сушилках, работающих при температуре теплоносителя не выше 500С, в зонах подогрева и охлаждения туннельных печей для обжига керамики, в конвективных зонах и холодильниках вращающихся печей для обжига цементного клинкера, извести, керамзита. Теплопередача конвекцией играет значительную роль наряду с лучистым (радиационным) теплообменом в области температур 500900С, если теплоноситель имеет значительные скорости.

Из курсов «Теплотехника химических производств» и «Процессы и аппараты химических производств» известно, что теплопередача конвекцией рассчитывается по формуле Ньютона, а условия свободной или вынужденной конвекции характеризуются соответствующими критериальными уравнениями.

Поскольку в тепловых установках в технологии силикатных материалов основной является вынужденная конвекция, то определяющим комплексом в критериальных уравнениях будет критерий Рейнольдса, т.е. интенсивность теплоотдачи будет зависеть от скорости движения потока относительно поверхности нагрева.

Радиационный режим внешнего теплообмена характерен для печей. Различают три разновидности радиационного режима: равномерно распределенный, направленный прямой и направленный косвенный теплообмены. Отличаются они соотношением лучистых потоков от пламени на поверхность нагрева и кладку печи.

Равномерно распределенный теплообмен характеризуется равномерным полем температур и оптических констант пламени. В этих условиях лучистые потоки от факела на нагреваемый материал ( ) и на кладку печи ( ) равны, т.е. . Этот теплообмен наиболее целесообразен для массивных изделий, располагаемых в печи в виде садки с малодоступными для излучения от кладки поверхностями нагрева. В таком режиме работают камерные, кольцевые печи, зона обжига туннельных печей, высокотемпературная зона вращающихся печей для обжига сыпучих материалов.

Тепловые установки, работающие по принципу равномерно распределенного теплообмена, имеют относительно высокую температуру кладки, значительно превышающую температуру нагреваемого материала и в идеале приближающуюся к температуре факела.

В соответствии с законом Стефана  Больцмана интенсификация теплообмена в условиях рассматриваемого режима работы печи определяется температурой факела и степенью его черноты. Причем температура факела оказывает большее влияние на теплообмен, чем степень его черноты. Увеличение степени черноты факела существенно сказывается на повышении интенсивности теплообмена только в области низких его значений. Поэтому даже небольшое изменение светимости факела играет большую роль.

Равномерно распределенный теплообмен при работе печей достигается либо за счет интенсификации излучения кладки, либо варьированием излучения факела в целях выравнивания суммарного лучистого потока. Причем увеличение интенсивности излучения факела достигается утолщением его в тех местах, где облучение со стороны кладки меньше.

При расчете нагрева массивных тел поступают следующим образом. Выбирают по требованиям технологии режим изменения температуры поверхности и центра изделия в процессе нагрева и время нагрева изделия. Время нагрева разбивают на ряд интервалов, для каждого из которых определяют величину теплопоглощения. Для каждого интервала нагрева усредняют температуру поверхности нагрева. По величине теплопоглощения и усредненной температуре поверхности нагрева находят необходимые параметры внешнего теплообмена (эффективную температуру и степень черноты пламени). По ней выбирают топливо и определяют параметры процесса его сжигания. Предлагаемый теоретический расчет основан на подборе параметров внешнего теплообмена исходя из условий внутренней теплопередачи.

Направленный прямой теплообмен создается в печи, если лучистый поток на материал больше, чем на кладку, т.е. . Сущность данного теплообмена заключается в получении как можно большей разности указанных тепловых потоков за счет создания градиента температур по толщине факела. В результате поверхность, обращенная к зоне высоких температур, получает больше теплоты, чем противоположная, так как слой факела с меньшей температурой задерживает излучение горячих слоев и экранирует кладку.

Направленный прямой теплообмен имеет широкое распространение и применим для нагрева как тонких, так и массивных изделий. Отличается он тем, что его можно регулировать и интенсифицировать в широких пределах за счет изменения расположения факела. Этот вид теплообмена получил наибольшее распространение в стекловаренных печах.

Теплопередача при прямом теплообмене интенсифицируется повышением максимальной температуры факела. При этом результатирующий тепловой поток будет определяться степенью черноты факела, которой будет больше у слоев факела с максимальной температурой.

Расчет направленного прямого теплообмена обычно производится по следующей схеме. Рабочее пространство печи разделяется на несколько радиационно-взаимодействующих зон, в которых параметры теплообмена (температура, степень черноты) принимаются постоянными. Затем определяют результатирующую плотность тепловых потоков для поверхности нагрева на основании расчетов внутренней теплопередачи.

Задаваясь результатирующими тепловыми потоками для отдельных зон факела и принимая значения угловых коэффициентов взаимного излучения материала, кладки и зон факела по соответствующим уравнениям, находят температуры зон факела.

Направленный косвенный теплообмен создается в печи при условии, если тепловой поток от пламени на кладку печи больше теплового потока на поверхность нагрева, т.е. .

Область максимальных температур при этом виде теплообмена расположена ближе к поверхности кладки, чем к поверхности нагрева.

В печах рассматриваемый теплообмен в индивидуальном исполнении применяется редко в связи с необходимостью поддерживать температуру кладки в области предельных температур службы кладки.

Косвенный теплообмен создается в вакуумных высокотемпературных печах, когда кладку заменяют холодными поверхностями с высоким коэффициентом отражения. Он присутствует в муфельных и полумуфельных печах, в которых теплота в рабочее пространство поступает как от излучающих продуктов горения топлива, так и через кладку.

Слоевой режим внешнего теплообмена возникает в шахтных и туннельных печах при обжиге кусковых материалов. Теплообмен конвекцией и лучеиспусканием при слоевом режиме соизмеримы в широком температурном интервале и трудноразделимы.

Теплоотдача при конденсации пара осуществляется в автоклавах для запаривания силикатных изделий и в камерах пропаривания бетона. Она является режимом внешнего теплообмена и имеет свои отличия в зависимости от нагреваемой поверхности (вертикальная, горизонтальная) и состояния пара (насыщенный, парогазовая смесь). Причем условия взаимодействия насыщенного пара или парогазовой смеси с горизонтальной или вертикальной поверхностями изделий, кроме того, определяются периодами тепловлажностной обработки (нагрев, изотермическая выдержка, охлаждение). В разные периоды тепловлажностной обработки меняются скорость нагрева, степень увлажнения поверхности, а также температурное поле в установке.

При тепловлажностной обработке как ни при какой другой наиболее тесно увязаны процессы тепло- и массообмена. Изделия, загружаемые в тепловлажностную установку, можно рассматривать как систему, включающую твердую, жидкую и газообразную фазы, соотношение между которыми, а также их состав непрерывно изменяется.

При нагреве изделий пар, попадая на более холодную поверхность их, конденсируется. В результате смачивания поверхности на ней образуется пленка конденсата. Поверхность за счет теплоты конденсации пара нагревается, и ее температура возрастает и стремится к температуре пара или парогазовой смеси. В случае парогазовой смеси к поверхности вместе с паром поступает газ (воздух, продукты горения). Парциальное давление пара у этой поверхности понижается, а газа  повышается при общем неизменном давлении в установке. Согласно теории теплопередачи, тепловой поток, поступающий на поверхность изделий (материала), складывается из теплоты парообразования, отдаваемой материалу паром при его конденсации, и теплоты, отдаваемой материалу средой вследствие разности температур между парогазовой смесью и пленкой конденсата.

Теплота, отдаваемая паром при конденсации (q_т.п), подсчитывается по формуле

, кДж/м², (2.2)

где r  теплота парообразования, кДж/кг; q_п  удельная масса пара, кг/с (кг/кг массы материала).

Перенос теплоты от парогазовой смеси к пленке конденсата (q_т.ср) определяют по формуле

, кДж/м², (2.3)

где λ_см  коэффициент теплоотдачи от парогазовой смеси к поверхности пленки конденсата, Вт/(м² · К);  средняя температура парогазовой смеси, С; t_ж температура пленки конденсата, обращенной к парогазовой смеси,С.

Здесь сложным является определение коэффициента теплоотдачи от парогазовой смеси (λ_см), т. к. она зависит от формы изделий, режима течения и физических свойств пленки конденсата, относительной влажности паровоздушной смеси и др. Поэтому величина λ_см обычно определяется с помощью критериальных уравнений.

При изотермической выдержке изделий подвод теплоты за счет конденсации пара к поверхности изделий продолжается, но в количестве, необходимом для компенсации потерь теплоты в окружающую среду, и теплоты, расходуемой на эндотермические процессы образования новых соединений в случае гидросиликатного твердения (автоклавные материалы). В случае гидратного твердения изделий (бетон) из-за экзотермии цемента внутренние слои изделия приобретают температуру, превышающую температуру парогазовой среды (обычно на 25С), и парциальное давление пара у поверхности изделий становится больше парциального давления парогазовой среды. В результате с поверхности начинает испаряться влага. При этом толщина пленки конденсата уменьшается. За счет внутренней диффузии влага перемещается из внутренних слоев материала и продолжает испаряться. На испарение пленки конденсата и внутренней влаги расходуется теплота пара и теплота экзотермии цемента. К концу изотермической выдержки пленка конденсата с поверхности изделий полностью испаряется.

Расход теплоты на стадии изотермической выдержки изделий будет определяться только теплотой конденсации пара, которая рассчитывается по формуле, аналогичной (2.2), в которой вместо q_п берется удельная масса испаряемой влаги (q_ип).

При охлаждении изделий прекращается подача пара и в установке понижается парциальное давление и температура пара. Возникает разность парциальных давлений пара у поверхности изделий и в самой установке, которая заставляет влагу испаряться с поверхности, к которой она поступает из внутренних слоев изделия. Температура поверхности начинает снижаться и стремится к температуре среды в установке, которая тоже понижается. Количество теплоты, отдаваемой изделиями уходящему пару или парогазовой смеси, также может быть рассчитано по формуле, аналогичной (2.2).