книги из ГПНТБ / Несенчук А.П. Пламенные печи для нагрева и термообработки металла учеб. пособие

Сопоставляя уравнения (4.42) и (4.46), будем иметь

cpyw 8'

Записанное нами уравнение (4.47) устанавливает взаимосвязь между интенсивностью конвективного теплообмена ак и коэффици­ ентом гидродинамического сопротивления трению £. При выполне­ нии анализа с помощью выражения (4.47) нужно иметь в виду, что оно было получено без учета ламинарного подслоя потока и поэтому приближенно.

Уравнение (4.47) с учетом ламинарного подслоя имеет вид

где w1— скорость жидкости на границе раздела турбулентного те­

чения и ламинарного подслоя.

Следует еще раз отметить, что внешний теплообмен в печи мо­ жет сопоставляться только с сопротивлением трения, так как именно этот вид сопротивлений обусловлен переносом количества движения от движущегося потока газов к поверхности садки.

Между тем очень часто при омывании поверхности наблюдает­ ся срыв потока или его расслоение с образованием застойных зон. При этом у поверхности металла образуется сложное поле давлений и возникают силы, во много раз превосходящие силы трения. Такое перераспределение давлений в местах срыва и застоя потока обус­ ловливает местную потерю (напора), что учитывается выражением

Расчеты показывают, что при R e=5-104 сопротивление давле­ нию (потери по месту) составляет более 97% общего сопротивления системы, а сопротивление трению — всего около 3%. Эти цифры дают представление о крайне неблагоприятных условиях, которые складываются в теплообменных системах с плохо обтекаемой сад­ кой или наличием расслоения потока дымовых газов по высоте рабо­ чего пространства печи.

Таким образом, в этом параграфе были рассмотрены некоторые простейшие соотношения, связывающие между собой законы тепло­ обмена и гидродинамического сопротивления трению. Как видно, побуждающим началом теплообмена и гидродинамического сопро­ тивления является перемещение потока дымовых газов, которые при своем движении переносят как теплоту, так и количество движения.

102

Обычно потерю напора по длине обозначают через hi.

Местные потери динамического напора Арн (/іы), выражающие­ ся в рассеивании энергии потока, что связано с местным перераспре­ делением давлений, связываются зависимостью только с динамиче-

w2

где fM= SM-

Коэффициент потерь напора по месту — мера рассеяния энер­ гии потока — и представляет собой, согласно формуле (4.53), отно-

Рис. 4.9. Графики зависимости £ = [(Re):

1—2 — для турбулентного течения жидкости вдоль шероховатой и гладкой поверхностей; 3 — для ламинарного течения

шение потерянного давления к динамическому напору. Определяет­ ся эта величина экспериментально. В соответствии с выполненными экспериментами для отыскания £м составляются графики или эмпи­ рические формулы [14].

Гидродинамический расчет газового или воздушного тракта пе­ чи выполняется раздельно для всех расчетных участков. Разбивка тракта на расчетные участки должна выполняться на основании детального анализа его особенностей с последующим выделением участков, на которых скорости и температуру жидкости можно при­ нять относительно постоянными. Выполнив такой анализ, весь тракт (газовый или воздушный) расчленяют на от-число расчетных участ­ ков. Для каждого такого участка суммарная потеря динамического

напора

т

104

Г л а в а 5. ТЕПЛООБМЕН В РАБОЧЕМ ПРОСТРАНСТВЕ ПЛАМЕННЫХ ПЕЧЕЙ

Интенсивность внешнего и внутреннего теплообмена в значи­ тельной степени влияет на качество нагреваемых изделий и работу печи в делом. Конструктивное оформление современных печей так­ же во многом определяется характером и интенсивностью теплооб­ мена в зонах или камере термических и нагревательных печей.

5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

При температуре печных газов свыше 800° С лучистая состав­ ляющая теплообмена преобладает над его конвективной составляю­ щей, причем находятся они в такой зависимости:

сск= (0,05—0,15) ал,

где оск и ал — соответственно коэффициенты теплоотдачи конвек­ цией и лучеиспусканием, ккал/мг -ч° С (ѳт/.іг2-° К).

В отдельных случаях конвективная составляющая теплового потока равна 50 и даже 100% удельного потока тепла лучеиспуска­ нием. Преимущественно это наблюдается в низкотемпературных термических печах.

Теплообмен в рабочем пространстве пламенных нагревательных и термических печей представляет собой очень сложный процесс, в котором одновременно участвуют продукты сгорания, футеровка печи и нагреваемый металл, причем доли тепла, переданные поверх­ ности металла кладкой и продуктами сгорания топлива, как пра­ вило, неодинаковы. В одних случаях тепловые потоки от футеровки и газов сопоставимы между собой, тогда их приходится учитывать на равных основаниях, в других они имеют разные порядки абсо­ лютной величины, и одним из потоков при оценке интенсивности теплообмена целесообразно пренебречь. Все зависит от организации внешнего теплообмена. Так, при сжигании топлива в печах, обору­ дованных беспламенными горелочными устройствами панельного типа, излучением дымовых газов на металл в отдельных случаях можно пренебречь. Результирующие тепловые потоки излучением в такого типа печах имеют направление: продукты сгорания — клад­

106

ка горелочных панелей — нагреваемый металл (поток: продукты сгорания — металл, вследствие малой его величины не принимается во внимание). Поток теплоты излучением в і-зоне печи при орга­ низации теплообмена по такой схеме описывается выражением

где екл и ем — степени черноты футеровки и поверхности металла, екл = 0,5—0,95, ем= 0 ,8 —0,85;

Гкл и Гм — соответственно температуры кладки и металла (средние значения) в і-зоне печи, ° К.

При использовании обычных горелочных устройств в печи, когда образуется светящееся (факел) или несветящееся пламя, пренебре­ гать составляющей теплообмена между газами и металлом нельзя, так как потоки лучистого тепла от газов и кладки сопоставимы по величине. Суммарный тепловой поток излучением

Сопоставляя при всех прочих равных условиях потоки теплоты, представленные выражениями (5.1) и (5.2), видим, что 7клі> 2 Яі, так как Тті<с Ті<лі и ег< е Кл. Последнее сильно сказывается на ин­

тенсивности лучистого теплообмена, совершающегося по первой схеме.

Однако нужно помнить, что по целому ряду обстоятельств.пре­ имущества той или иной схемы теплообмена не всегда удается реа­ лизовать на практике.

5.2. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В РАБОЧЕМ ПРОСТРАНСТВЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ И ТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ

Как было сказано выше, в отдельных случаях конвективная составляющая теплового потока сопоставима с его лучистой состав­ ляющей. При этом интенсивность конвективного теплообмена долж­ на рассчитываться самым тщательным образом. Задачу о конвек­ тивном теплообмене между продуктами сгорания и нагреваемой заготовкой или изделием рассмотрим в самой общей ее постановке (рис. 5.1).

Математическая модель конвективного теплообмена между дымовыми газами и поверхностью металла может быть представ­ лена уравнениями [44]—[47]:

107

Выражения (5.3) — (5.6) — дифференциальные уравнения теплопро­ водности, теплообмена, движения и неразрывности.

Рис. 5.1. Схема для расчета кон­ вективного теплообмена между газами и поверхностью металла

Для решения задачи принимаем следующие условия однознач­ ен

t = t X0.

Определение коэффициента теплоотдачи а от газов к поверх­ ности металла выполним в соответствии с теорией подобия. Для это­ го рассмотрим два подобных явления конвективного теплообмена в рабочем пространстве печи — явление с индексом ' и явление с индексом ".

Для первого и второго явлений записываем

* Уравнение (5.5) для простоты записано для одномерной задачи.

108

109

kpkyy

= 1 и

или

а также

Выражения (5.12) и (5.13) переписываем

ПО