книги из ГПНТБ / Блинов О.М. Основы металлургической теплотехники

При температуре, отличной от абсолютного нуля (0°К или —273°С), любое тело испускает тепловое излу­ чение. Если тело находится в температурном равновесии

сокружающей средой, то количество излучаемой им энергии равно количеству энергии, получаемой от окру­ жающей среды. Если тело нагрето выше по сравнению

сокружающей средой, то оно излучает энергии больше,

отражающими часть падающей на них энергии. Однако для проведения исследовательских работ, теоретических рассмотрений, для градуировки температурных изме­ рительных приборов создана модель абсолютно черного тела (рис. 16). В самом деле, луч, вошедший через ма­ ленькое отверстие в большую, например, сферическую полость, после многократного отражения и поглощения ее внутренними стенками полностью поглотится и не вырвется наружу, т. е. он как бы не отразится. Входное отверстие полости является аналогом абсолютно черного тела.

Допустим, что на тело падает лучистый поток Qпад,

Приняв обозначения:

Безразмерные величины а, г, d определяют соответ­ ственно поглощательную, отражательную и пропускаю­ щую способности.

Если а = 1 (следовательно, r = d = 0), то тело погло­ щает весь падающий на него поток и называется, как уже указывалось, абсолютно черным телом.

Если г= 1 (следовательно, a— d = 0), то тело отра­ жает весь падающий на него поток. При диффузном от­

пускает весь падающий на него поток и называется абсолютно прозрачным, или диатермичным.

Способность тел излучать тепловую энергию зави­ сит не только от температуры, но и от свойств поверх­ ности этих тел. Максимум тепловой энергии при дан­ ной температуре испускается абсолютно черным телом и количественно определяется законом Стефана—Больц мана:

ла, 0=5,69 Вт/(м2-°К4), или 4,88 ккал/(м2-ч -°К4) ; Т0— абсолютная температура тела, °К;

F — площадь излучающей поверхности, м.

Реальные тела не являются абсолютно черными и для них закон Стефана—Больцмана записывается в

степень черноты е представляет собой отношение энер­ гий, излучаемых реальным и абсолютно черным телом.

имеющих одинаковую температуру, т. е. при Т0 — Т или отношение их коэффициентов излучений:

Qo

Реальные тела имеют 0 < е < 1 . Абсолютно белых тел не существует, но некоторые материалы обладают коэффициентом отражения г=0,95, т. е. поглощается только 5% падающей на них энергии. Абсолютно проз­ рачными, диатермичными, являются двухатомные газы и в видимой части спектра различные сорта стекол.

Законом Стефана — Больцмана определяется полное количество энергии, излучаемое телом во всем диапа­ зоне длин волн. Интенсивность с одной длиной волны (монохроматического излучения) для абсолютно черного тела 5 0Хвыражается законом Планка:

Планка. Из графиков видно, что с увеличением темпе­ ратуры тела количество излучаемой им энергии увели­ чивается, кривые перемещаются влево, в область более коротких длин волн и «растут» вверх. Максимум излу­ чения тела, нагретого до 2000°К, лежит в области волн

пунктирной линией). При данной температуре тела ин­ тенсивность излучения приближается к нулю для очень коротких и очень длинных волн. Закон Планка позволя^- ет рассчитать интенсивность излучения с любой длиной волны и характеризует распределение энергии^по спект­ ру — спектральное распределение излучаемой энергии.

Положение кривых на рис. 17 и связь температуры тела со значением длины волны, соответствующей мак­ симуму излучения, подчиняется закону смещения Вина.

Иными словами, произведение температуры тела Т на длину волны, соответствующую максимуму излуче­ ния Àmax, есть величина постоянная. С увеличением тем-

Рис. 17. Зависимость энергии излучения тела от длины волны при различных температурах

пературы максимумы на кривых смещаются влево, т. е. в область, характеризующую меньшими значениями А,тах, и поэтому произведение остается постоянным по величине. Смещение интенсивностей излучения иллюст­ рируется простым наблюдением. Нагреваемая стальная заготовка остается темной, не светится вплоть до тем­ ператур порядка 500° С, так как интенсивность излуче­ ния в видимой части спектра (0,4—0,8 мкм) при таких температурах близка к нулю. Наряду с этим тело при 500° С заметно излучает тепло в инфракрасном диапа­ зоне, волны которого не воспринимаются глазом. При дальнейшем нагреве заготовки она начинает светиться сначала темно-красным, затем красным, желтым и поч­ ти белым свечением, что и объясняется смещением мак­ симума излучения в область все более коротких волн.

Закономерность Вина используют при создании од­

излучением происходят между двумя и более телами, например между нагревателем и нагреваемым изделием. При лучистом теплообмене между двумя телами про­ исходит одновременное взаимное облучение с интен­ сивностями, пропорциональными, в соответствии с зако­ ном Стефана—Больцмана, четвертым степеням их тем­ ператур. Результирующий тепловой поток поглощается поверхностью того тела, температура которого ниже. Величина результирующего теплового потока Q1i2 обыч­ но выражается формулой:

гдеТ^иТ^— абсолютные температуры первого и второ­ го тел.

Приведенный коэффициент излучения апр и взаим­ ная поверхность излучения F рассчитывают по специ­ альным формулам в зависимости от расположения тел

впространстве и их поверхностей.

4.Сложный теплообмен

Вметаллургических печах теплопередача отдельных видов (теплопроводность, конвекция, излучение) явля­ ется, как правило, лишь составной частью общего слож­ ного процесса теплообмена, предназначенного для ре­ шения какой-либо технологической или теплотехниче­ ской задачи, например плавления металла, нагрева за­ готовок, утилизации тепла отходящих продуктов сгора­

ния, топлива и т. п. При плавлении металла в марте­ новских печах тепло передается от факела к ванне излучением (95%) и конвекцией (5%). Внутри ванны расплавленной стали тепло распространяется теплопро­ водностью и конвекцией жидкого металла, особенно при интенсивном кипении ванны, вызываемом выделе­ нием окислов углерода. При нагреве изделий в низко­ температурных сушилках тепло передается в основном конвекцией, так как сравнительно низкие температуры греющих газов сильно уменьшают теплоизлучение, ко­ торое пропорционально четвертой степени температуры.

В рекуператорах, предназначенных для нагрева возду­ ха за счет тепла отходящих из печи газов, тепло от про­ дуктов сгорания (греющая среда) передается к стенке металлической или керамической трубы рекуператора конвекцией и излучением (относительная доля которых зависит от температуры и скорости движения газов), за­ тем через стенку трубы — теплопроводностью и от стенки трубы к нагреваемому воздуху — снова конвекцией и из­ лучением.

Рис. 18. Распределение температур при сложном теплообмене

оо о о

(вместо t r , t B, ^ — (4 читать t r , (в , tt — t,).

Распределение температур при сложном теплообме не, аналогичном вышеописанному для случая рекупе­ ратора, при нагреве одной газообразной или жидкой среды через стенку от другой газообразной или жидкой среды показано на рис. 18. Тепловой поток от греющих газов с температурой Ітчерез стенку передается нагре­ ваемому воздуху, температура которого равна tB. Тем­ пературы на поверхностях стенки составляют t\ и t2. Величина удельного теплового потока в такой систе­ ме может быть выражена посредством закона Нью­ тона для теплопередачи от газа к стенке и от стенки к воздуху и уравнением теплопроводности для передачи тепла через стенку. На основании этого

<7= “ і (fr — *1) = у (fi — tt) = a 2 (f8 — tB). (111,33)

Лучистый поток в соответствие с формулой (III, 32) составит:

Q ^ ° u A Tl - n ) F - (ні.зэ)

Конвективный тепловой поток соответственно равен:

Тт- Т п

иназовем величину ал коэффициентом теплообмена из­ лучением, а величину ces = (ал+ а к) — суммарным коэф­ фициентом теплоотдачи. В окончательном виде выраже­

ние для суммарного теплового потока записывается в виде

Гла ва IV

МЕХАНИКА ГАЗОВ

Движение газов является одним из важнейших про­ цессов тепловой работы металлургических печей. От характера и особенностей движения газа зависят пере­ мешивание топлива с окислителем и его горение, распре­ деление температур и давления в рабочем пространстве печей, передача тепла от газов к нагреваемым материа­ лам и кладке печей, срок службы огнеупоров кладки и т. д. Зная законы равновесия и движения газов, можно в определенной степени управлять указанными процесса­ ми, добиваясь наиболее экономичной и производительной работы печей.

Наука, изучающая законы равновесия и движения га­ зов, называется механикой газов. Механика газов как

наука — это частный случай применения к газам наи­ более общей науки — механики сплошных сред.

При рассмотрении основных положений механики га­ зов примем следующие допущения:

1)газ рассматривается как сплошная легкоподвиж­ ная среда, в которой отсутствует молекулярное движе­ ние, а расстояние между молекулами равно нулю;

2)газы являются несжимаемой средой;

3)газы движутся с относительно небольшими скоро­

стями;

4)распределение вещества и физических свойств га­ зов непрерывное.

Особенности движения газов с большими скоростями изу­

Чтобы облегчить изучение основных закономерностей равнове­ сия и движения газов, введено понятие идеального газа.

Идеальным считают газ, которому свойственны:

1)абсолютная подвижность (т. е. газ, лишенный вязкости). Это значит, что его частицы не взаимодействуют друг с другом;

2)абсолютная несжимаемость;

3)размер частиц, равный нулю.

при решении практических задач можно допустить, что реальные га­ зы по своим свойствам близки к идеальным.

Реальные газы состоят из отдельных частиц-молекул, причем расстояние между молекулами во много раз превышает размеры са­ мих молекул. Эти молекулы взаимодействуют друг с другом. Поэто­ му реальные газы могут сжиматься и обладают определенной вяз­ костью.

Однако сами молекулы и расстояния между ними настолько ма­ лы по сравнению с объемами, рассматриваемыми при изучении рав­ новесия и движения жидкости, что в механике газов молекулярное строение газов не рассматривается. Считается, что газ заполняет все пространство, без пустот, сплошь (отсюда и название — сплошная среда). Такая идеализация вполне допустима, так как, например, в 1 см3 воздуха находится 2,7-ІО19 молекул, т. е. замена реального

Формула (IV,1) справедлива для однородного газа. Если газ неоднороден, то по формуле судят лишь о его средней плотности. Для определения плотности газа в данной точке неоднородного газа необходимо объем V брать как можно меньшим.

На практике о массе газа судят по его весу. С этой целью вве­

Вмеждународной системе единиц СИ объемный вес измеряется

вньютонах на кубический метр (Н/м3) .

Зная объемный вес у. можно определить плотность по формуле:

веса данного газа уг к объемному весу воды у», взятой при темпера­ туре 4° С:

б = Уг/Ув. (ІѴ,3)

Удельный вес газа есть величина безразмерная. Для пресной во­ ды удельный вес при 4° С равен:

бв = Ѵв/Тв = 1•

Объемный вес воды при 4° С равен:

ув = 9810 Н/м3 = 0,00981 Н/см3 = 0,000981 кгс/см3.

Плотность газов зависит от их температуры и давления. Зави­ симость плотности газов от давления и температуры устанавливает­ ся так называемым уравнением состояния. Для идеальных газов справедливо уравнение Клайперона:

Поведение реальных газов с определенной погрешностью может быть описано уравнением Клапейрона, вполне пригодным для реше­ ния практических задач. Например, для воздуха нормального соста­