25. Способы передачи тепла.

1. Конвективный режим работы печей.

Конвективный режим характеризуется преимущественным конвективным теплообменом и обязательным движением теплоносителя (печной атмосферы) в ее рабочем пространстве. Передача теплоты излучением при данном режиме выражена слабо и может быть учтена с помощью поправочного коэффициента к конвективному коэффициенту теплоотдачи.

Конвективный режим свойственен только низкотемпературным печам, в которых температура теплоносителя не превосходит 600˚C.

Роль конвективного режима тепловой работы возрастает в печах, где нагреваемые изделия распределены по всему их рабочему объему, а также в печах, где происходит нагрев изделий, поверхность которых имеет достаточно низкую степень черноты (ε < 0,4).

В первом случае изделия, подвергаемые нагреву взаимно экранируются от излучающей составляющей тепловой энергии, что почти исключает ее роль в общем теплообмене. Во втором случае, из-за малого значения степени черноты, незначительна поглощающая способность лучистой составляющей теплового потока. Это также снижает роль радиационной составляющей в общем теплообмене.

В печах с конвективным режимом работы стремиться достичь развитого движения печных газов в рабочем пространстве, их циркуляцию и часто, рециркуляцию. Этим обеспечивается:

- увеличение теплового потока к поверхности материала и равномерное его распределение по ней;

- более равномерный нагрев материала;

- повышение теплового к.п.д. печи.

На рис. 1.6. показана схема печи, работающей по конвективному режиму теплообмена с циркуляцией и рециркуляцией печных газов.

Рис. 1.6. Схема печи с конвективным режимом тепловой работы:

1 – нагреваемое изделие; 2 – экран; 3 – поток теплоносителя;

4 – поток отработанных печных газов

Конвективный тепловой режим работы применяется в печах, где теплоносителем служит жидкая среда (например, солевые ванны). Только в этом случае необходимо обеспечивать преобладание конвективного теплообмена над теплообменом посредством теплопроводности. Это достигается интенсивным движением теплоносителя в печи.

2. Радиационный режим работы печей.

Радиационный режим тепловой работы печи характеризуется преимущественным радиационным теплообменом. Данный режим реализуется в печах при температуре выше 600˚C. Источником теплового излучения могут быть: горящий факел и раскаленные продукты сгорания топлива; электрическая дуга или низкотемпературная плазма; раскаленный электрический нагревательный элемент (сопротивление); раскаленная футеровка печи; раскаленные радиационные нагревательные трубы и т.д.

В топливных печах при радиационном режиме тепловой работы большое значение имеет степень черноты пламени (ε_п). При малых значениях ε_п тепловой поток от пламени (продуктов сгорания) невелик. Поэтому для увеличения теплового потока необходимо увеличивать степень черноты пламени (ε_п). Для повышения ε_п пламени в печах применяют следующие два способа:

- увеличивают толщину слоя пламени над материалом (т.е. увеличивают свободное пространство печи);

- производят естественную или искусственную карбюризацию пламени (вдувают угольную пыль в пламя; подают природный газ в пламя, где он диссоциирует на сажистый углерод и Н₂).

Радиационный режим тепловой работы печи, в зависимости от основной направленности теплового потока в рабочем пространстве от источника теплового излучения, подразделяется на три разновидности (см. рис.1.7):

- с равномерно распределенным радиационным теплообменом

(Q_м = Q_ф);

- с направленным прямым радиационным теплообменом

(Q_м > Q_ф);

- с направленным косвенным радиационным теплообменом

(Q_м < Q_ф);

Рис. 1.7. Схема печи с радиационным режимом тепловой работы:

1 – оболочка (футеровка) печи; 2 – источник лучистой тепловой

энергии; 3 – теплообрабатываемый материал

Для всех трех разновидностей радиационного режима тепловой работы роль внутренней поверхности оболочки (футеровки) рабочего пространства печи, как участника в общем теплообмене будет различна.

Равномерно распределенный, радиационный режим тепловой работы наиболее целесообразно применять для нагрева массивных изделий. В данном случае относительно небольшая интенсивность внешнего теплообмена обеспечивает равномерность нагрева массивных изделий. Такой режим тепловой работы характерен для камерных вертикальных термических печей.

Направленный прямой радиационный режим тепловой работы обеспечивается созданием максимальных температур источника тепловой энергии возле поверхности нагреваемого материала.

На практике направленный прямой радиационный теплообмен применяют в плавильных и термических печах при нагреве изделий, размещенных по поду печи. Для обеспечения такого режима в пламенных печах высокотемпературный хорошо светящийся факел располагают вблизи поверхности нагреваемого или проплавляемого материала. В дуговых электропечах аналогичную задачу выполняет расположенная близко к поверхности материала электрическая дуга.

Режим направленного прямого теплообмена нерационально применять в том случае, когда поверхность нагрева распределена по всему объему рабочего пространства печи, или когда изделия имеют большую толщину при малом коэффициенте теплопроводности.

Направленный косвенный радиационный режим тепловой работы целесообразно применять в том случае, когда исключается любой местный перегрев поверхности материала. В данном случае основная тепловая энергия от источника теплоты передается оболочке (футеровке) печи, которая ее аккумулирует.

После раскаления внутренней поверхности оболочки она начинает интенсивно излучать тепловую энергию на поверхность нагреваемого материала. В технической литературе такие печи получили название «отражательные» печи. Но этот термин не выражает сущности печи, т.к. футеровка печи не отражает тепловую энергию, а излучает часть аккумулированной тепловой энергии.

В пламенных печах раскаленные продукты сгорания имеют относительно низкую излучательную способность, т.к. тепловое излучение газов селективно (избирательно). В основном теплоизлучающей способностью обладают только трехатомные газы (СО₂, Н₂О и т.п.). При применении направленного косвенного радиационного теплообмена футеровка печи трансформирует (преобразует) селективное аккумулированное тепловое излучение газов в сплошное тепловое излучение, направленное от поверхности футеровки на нагреваемый материал. Такая форма теплообмена стабилизирует тепловой поток к нагреваемому материалу и приводит к более равномерному его нагреву.

На рис. 1.8. представлены схемы расположения газогорелочных устройств в топливных печах при различных радиационных режимах их тепловой работы.

Рис. 1.8. Схемы расположения горелочных устройств в топливных

печах с радиационным режимом тепловой работы:

а – равномерно-распределенным; б – прямонаправленным;

в – косвенно-направленным