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

Для расчета процессов нагрева или охлаждения в кипящем слое необходимо знать коэффициент теплообмена а с погруженными поверхностями. Величина а зависит от скорости фильтрации, опре­ деляющей частоту смены частиц у погруженной поверхности, порозности слоя, теплофизических свойств газовой и твердой фазы и т. д. Зависимость а от скорости фильтрации носит немонотонный харак­ тер. Вначале по мере развития псевдоожижения возрастает скорость движения частиц у погруженной поверхности и а увеличивается. С увеличением скорости фильтрации повышается и порозность слоя, оказывающая противоположное действие на а (с ростом е умень­ шается количество частиц, контактирующих с поверхностью за опре­ деленный период времени). При определенной скорости фильтрации влияние повышенной порозности становится преобладающим и а начинает снижаться с ростом да.

Оптимальная скорость фильтрации может быть определена из

Коэффициент теплообмена между слоем и поверхностью можно определить (для тел размером более 2—4 мм) по формуле [85]:

для восходящей части графика функции а (да)

для режима фильтрации, соответствующего атах,

где Nu — эффективный критерий Нуссельта:

Приведенные формулы позволяют рассчитать а с точностью порядка 10%.

Для режима Reопт хорошее совпадение с опытными данными дает эмпирическая формула С. С. Забродского

где а — коэффициент теплообмена между кипящим слоем и поверх­ ностью изделия;

Хг — теплопроводность газовой фазы. Остальные обозначения приводились выше.

222

Следует отметить, что приведенные соотношения для расчета не учитывают радиационной доли переноса тепла, которая стано­ вится существенной при высоких температурах и использовании сравнительно крупных частиц. Авторами работы [94] внесена по­ правка в формулу (8.33), что позволяет учесть долю лучистой со­ ставляющей теплообмена:

где &вт — поправочный коэффициент, учитывающий лучистую со­ ставляющую теплообмена; при ^<250° С и dcp^0,25 мм &вт= 1; ПРИ ^>250° С и rfCp>0,25 мм

£вт= 1 + 1 °4^ 2’5 (0,296і0’22—1). (8.35)

Коэффициент бит проверен для температур 2 5 0 ^ ^ 9 7 5 ° С и разме­ ров частиц 2,5- 10-4^öfCp ^ 14,2- ІО-4 м.

При расчете а в качестве определяющей температуры рекомен­ дуется принимать температуру поверхности теплообмена [94].

После определения температуры и состава продуктов горения топлива находятся теплофизические характеристики фаз слоя и об­ рабатываемого металла. По среднему расчетному диаметру частиц находят число Ar при температуре слоя и определяют интервал ско­ ростей (8.24), (8.25), в пределах которых существует кипящий слой, а также скорость, соответствующую атах (8.29), (8.30). По уравне­ ниям (8.31) — (8.34) определяют коэффициент теплоотдачи а и вы­ бирают скорость фильтрации.

Сжигая газ в кипящем слое с а « 1 —1,05, можно считать, что потеря тепла q3 от неполноты горения отсутствует. Потеря q3 суще­ ственная лишь в печах с неполным горением, показанных на рис. 8.24 (зона II). В этом случае целесообразно продукты неполного горения дожигать непосредственно над слоем, косвенно нагревая его, а за­ тем направлять дымовые газы в рекуператор.

В печах с кипящим слоем наиболее значительны потери с ухо­ дящими газами, температура которых равна температуре слоя. Расчетный (проектный) расход условного топлива при полном сжи­ гании газа и нагреве тонких изделий по данным [83] составляет при­ мерно 100 кг/т.

Определив скорость фильтрации, при которой обеспечивается необходимое значение а, подсчитываем расход газовой фазы.

Впечи с непосредственным сжиганием топлива в слое с продуктами горения (факелом) должно вноситься достаточное количество тепла.

Вохладительных ваннах тепло удаляется поверхностными теплооб­ менниками (например, змеевикового типа).

Зависимость интенсивности теплообмена от температуры обра­ батываемого изделия в кипящем слое в отличие от жидких сред, претерпевающих с нагревом фазовые превращения, незначительна и практически линейна. Это позволяет производить закалочное

223

охлаждение в кипящем слое более равномерно, чем в масле, и тем самым уменьшить деформации изделий при закалке. Как уже отме­ чалось, изменение интенсивности охлаждения (или нагрева) можно осуществить как за счет изменения скорости фильтрации (это воз­ можно в процессе охлаждения), так и за счет изменения размера частиц, теплопроводности и объемной теплоемкости слоя. Характер влияния этих параметров на величину а виден из расчетных соот­ ношений (8.31—8.34). Необходимо, однако, отметить, что из этих формул следует монотонная зависимость а от dCp, не наблюдающая­ ся на практике. В действительности же при dCp < 40 —70 мкм рост а прекращается в связи с присущей мелким частицам способностью агрегировать и слипаться, а также в связи с растущей порозностыо пылевидных частиц. Кроме того, при расчете теплообмена с дета­ лями сложной формы, змеевиками и т. д. следует вводить коэффи­ циент, обусловленный рядом неучтенных факторов, равный при­ мерно 0,7.

Гидравлическое сопротивление псевдоожиженного слоя равно произведению его высоты на насыпную плотность:

Высота неподвижной засыпки должна превышать высоту погру­ женных изделий примерно на 50—70 мм. На таком же расстоянии от газораспределительной решетки должен находиться нижний край изделий. Сопротивление решетки в отличие от сопротивления кипя­ щего слоя зависит от скорости фильтрации. Чтобы обеспечить хоро­ шее газораспределение, перепад давления на решетке на рабочем режиме фильтрации должен быть соизмерим с перепадом давления в кипящем слое.

Распределение температуры по объему слоя определяется ин­ тенсивностью перемешивания твердой фазы, имеющей на три поряд­ ка более высокую теплоемкость, чем газовая фаза. Перемешивание частиц характеризуется коэффициентом эффективной температуро­ проводности, связанным с коэффициентом эффективной теплопро­ водности зависимостью

______ ^эф

^Эф / I \ і

СчРч(1 е)

где сч — теплоемкость частиц.

Величина а3ф пропорциональна скорости частиц и контуру цир­ куляции. С увеличением размера аппарата аЭф растет. Значения аЭф в кипящем слое сравнительно велики: даже для заторможенного вертикальными перегородками слоя аэф в горизонтальном направле­ нии имеет порядок 0,013—0,27 мг/ч, что соответствует коэффициен­ там эффективной теплопроводности примерно 20—200 вт/м° К [93, 95] (величины аЭфи ЯЭф в вертикальном направлении в несколько раз выше).

Как уже отмечалось, при обработке в кипящем слое деталей, имеющих горизонтальные участки поверхности, на них оседают за­

224

экранированные от восходящего потока газа частицы и препятству­ ют отбору тепла. Снижение интенсивности теплообмена особенно опасно при закалке, так как это может привести к браку. В послед­ нее время предприняты попытки применить для закалки вибропсев­ доожиженный слой. Вибропсевдоожижеиный слой можно получить, если засыпку дисперсного материала поместить в вибрирующий со­ суд. При ходе сосуда вниз слой отрывается от днища и под слой поступает газ из окружающей атмосферы. При обратном ходе со-

Рис. 8.25. Схема установки для охла­ ждения (закалки) в вибропсевдоожиженном слое:

/ — ванна; 2 — амортизаторы: 3 — деба­ лансы

суда воздух фильтруется через слой. Затем происходит соударение слоя с днищем. В результате материал слоя переходит в псевдоожи­ женное состояние без специальной подачи газа под слой. Такой метод псевдоожижения целесообразен в процессах химико-термиче­ ской обработки в контролируемых атмосферах, так как не требует расхода дорогостоящих защитных атмосфер. Установлено, что в вибропсевдоожиженном слое в отличие от кипящего ориентация плос­ кой поверхности (опыты проводились с плоскостью 40X60 мм) не влияет на интенсивность теплообмена [96].

Упрощенная схема одной из установок для охлаждения в вибропсевдоожиженном слое приведена на рис. 8.25. Установка состоит из водоохлаждаемой ванны, заполненной дисперсным материалом, которая опирается на амортизаторы. Снизу к ванне подвешены два вибратора или два вала с одинаковыми неуравновешенными гру­ зами (дебалансами), вращающимися в разные стороны с одинако­ вой скоростью. При вращении дебалансов на ванну действует вер­ тикальная сила, изменяющаяся по гармоническому закону и при­ водящая ванну с засыпкой в колебательное движение. При вибро­ псевдоожижении материал слоя бурно и хаотично перемешивается. Причем при соблюдении условия

слой не препятствует погружению в него металлических предметов. Выражение (8.37) справедливо для амплитуд колебаний 1 ,З ^ Л ^ ^ 6 мм и частот 1 3 ^ п ^ 3 2 гц. При меньшей интенсивности коле­ баний слой разрыхлен недостаточно.

Погруженное в вибропсевдоожиженный слой тело омывается частицами, которые переносят тепло между поверхностями охлаж­ дения и обрабатываемых изделий. С увеличением интенсивности вибрации коэффициент теплообмена слоя с поверхностью возрастает лишь до определенного предела. Максимум а наступает при усло­ вии [97]

Эксперименты показывают, что в вибропсевдоол<иженном слое имеют место контуры циркуляции частиц (вихри). Теплообмен слоя с поверхностью зависит от интенсивности смены частиц и состоит в прогреве или охлаждении непрерывно сменяющихся групп частиц, заключенных в вихрях. Они существуют некоторое время, затем рас­ падаются. Составляющие их частицы включаются в другие пакеты, разнося тепло по объему слоя. Вибропсевдоожилсенный слой более однороден, чем кипящий. Расширение слоя осуществляется в основ­ ном за счет увеличения порозности пакетов. Контактирующая по­ верхность пакета при соприкосновении принимает температуру поверхности погруженного тела. За время экспозиции температура в глубине пакета остается равной температуре ядра слоя. В этом случае пакет можно рассматривать как полуограииченное тело, пе­ ренос тепла внутри которого происходит эффективной теплопровод­ ностью 1п. Для описания процесса переноса тепла в пакете можно воспользоваться уравнением Фурье:

dft д2$

(8.40)

дх Яп дх2

Заменяя х безразмерной координатой X = x / d cp, переписываем

Рассматривая прогрев пакета при заданной температуре его поверхности, можем воспользоваться решением [50] уравнения (8.40):

226

Используя закон теплопроводности Фурье, получаем

Плотность потока тепла на границе пакета и стенки (Х = 0)

Средняя плотность потока за время, соответствующее Fo,

Выражение (8.45), описывающее перенос тепла в вибропсевдоожиженном слое, громоздко. В инженерной практике принято поль­ зоваться законом Ньютона

а интенсивность теплообмена характеризовать коэффициентом теп­ лоотдачи а. Совместное решение выражений (8.45) и (8.46) дает

сч, рч — теплоемкость и плотность частиц; Ф— избыточная температура;

тЭф — эффективное время, отражающее основные гидродинами­ ческие особенности слоя у поверхности: его порозность и скорость твердой фазы. Величина тЭф есть функция па­ раметров Л и со.

В режиме ctmax, определяемом условием (8.40), тЭф = = 0,33 сек [97].

Теплопроводность неподвижной засыпки мелких частиц в атмо­ сфере холодного воздуха составляет 0,1—0,3 вт/м-° К и растет с по­ вышением температуры.

Для частиц размером 0,5 мм в интервале температур термо­ обработки доля излучения в общем потоке тепла несущественна. В виброслое обычно используют частицы размером менее 0,5 мм.

Л/7

Рис. 8.26. Графики для определения эффективной теплопроводности (без учета излучения) плотного слоя £82[ в зависимости от порозности (е), теплопроводности газовой Хг и твердой фазы Х ч

Поэтому для расчета теплообмена в этой среде можно воспользо­ ваться значениями Лп, взятыми из графика (рис. 8.26) без учета лу­ чистой составляющей.

Сопоставление соотношения (8.50) с опытными данными для режима ctmax показывает совпадение со средним разбросом ±14% (что для псевдоожиженных систем не является слишком большим) в диапазоне критерия F o > 5 (область мелких частиц). При значе­ ниях Fo=sC5 опытные данные отклоняются в зависимости (8.48) и с погрешностью ±15% описываются полуэмпирическим соотно­ шением

При расчете по формулам (8.48) и (8.49) в качестве определяю­ щей принимается средняя температура пакета, равная примерно 28% температуры поверхности металла [97].

Необходимо учесть, что приведенные соотношения для расчета теплообмена проверены лишь в опытах с охлаждаемыми изделиями толщиной 15 — 40 мм. При расчетах теплообмена с деталями боль­ ших размеров следует вводить поправочный коэффициент, равный 0,8—0,9.

Частота вибраций выбирается исходя из числа оборотов стан­ дартных электродвигателей, а амплитуда в соответствии с выраже­

228

Г л а в а 9. ГЕНЕРАТОРЫ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОНТРОЛИРУЕМЫХ АТМОСФЕР

Контролируемые атмосферы, применяемые при химико-термиче­ ской обработке, приготавливаются в специальных установках-гене­ раторах. В настоящее время созданы генераторы, предназначенные для приготовления атмосфер различного типа. Технико-экономиче­ ские показатели генераторов определяют качество и стоимость кон­ тролируемой атмосферы. Поэтому ученые и конструкторы постоянно работают над совершенствованием старых и созданием новых гене­ раторов. Значительным шагом вперед в технике приготовления контролируемых атмосфер явилось использование метода псевдо­ ожижения частиц катализатора и теплоносителя.

Наиболее распространенную группу генераторов составляют установки для получения атмосфер из углеводородов при взаимо­ действии с воздухом. В зависимости от того, положителен или отри­ цателен суммарный тепловой эффект процесса приготовления атмо­ сферы, эти установки принято делить на эндо- и экзотермические. В большинстве случаев сырьем для получения эндо- и экзогаза слу­ жит природный газ. Кроме того, для этой цели могут быть исполь­ зованы сжиженный газ, жидкое углеводородное сырье, а также твердое топливо.

Отдельную группу составляют генераторы для получения азот­ но-водородной атмосферы из аммиака или технического азота н установки для очистки и осушки инертных газов.

9.1. ЭНДОТЕРМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Основными компонентами эндотермического газа, кроме азота, являются окись углерода и водород. Двуокись углерода и водяные пары имеются в эндогазе в ничтожном количестве. Атмосфера эндо­ газа широко применяется при цементации, нитроцемеитации и дру­ гих процессах химико-термической обработки. Как правило, эндо­ термическая атмосфера приготавливается из газового сырья, причем в большинстве случаев из природных газов.

Эндогаз получается в соответствии со следующей реакцией:

230

Как видно, в готовом эндотермическом газе содержится при­ мерно 20% СО, 40% Н2 и 40% N2, а коэффициент избытка воздуха а

близок к 0,25. При больших значениях а содержание С02 и Н20 в эндогазе повышается, что нежелательно. Уменьшение коэффициен­ та расхода воздуха при обычных температурах приготовления эндо­ газа приводит к выпаданию сажистого углерода [98]. Повышение температуры ограничивается стойкостью материала реактора.

Экспериментально установлено [98], что реакция получения эндогаза протекает в две стадии. В первой стадии происходит наи­ более вероятная реакция полного горения части подаваемого метана за счет имеющегося в смеси кислорода:

В результате этих эндотермических реакций температура умень­ шается и требуется подвод тепла извне. Как уже отмечалось, реак­ ции взаимодействий СН4 с С02 и Н20 при температурах ниже 1000° С протекают с малой скоростью. Термодинамический анализ показывает, что эти реакции могут протекать достаточно быстро и до конца лишь при температурах порядка 1300° С. Осуществление реакций при более низких температурах возможно лишь в присут­ ствии катализатора. Ведение процесса при температуре 1300° С тре­ бует применения остродефицитных жаростойких материалов, услож­ няет процесс и конструкцию установки (генератора). Поэтому про­ цесс получения эндогаза ведут на слое катализатора, что позволяет снизить рабочую температуру в реакторе до 850—950° С. Дальней­ шее уменьшение температуры приводит к науглероживанию ката­ лизатора и его разрушению.

Катализатор — активный компонент и не расходуется при про­ текании реакции. Активность катализатора обусловлена его порис­ той структурой и большой площадью активной поверхности, достигающей иногда сотен квадратных метров на грамм катализа­ тора. В теории катализа предполагается, что катализаторы сущест­ венно снижают энергию активации реакции и образуют с реагирую­ щими веществами промежуточные химические соединения, сущест­ вующие непродолжительное время, но обладающие высокой активностью. Газовые гетерогенные каталитические процессы состо­ ят из нескольких стадий: переноса вещества к поверхности катали­ затора, адсорбции и десорбции, переноса продуктов в газовую фазу. Активность реакции резко снижается при наличии в газах даже не­ большого количества определенных компонентов, являющихся яда­ ми для данного катализатора. Поэтому в ряде случаев необходима тонкая очистка подаваемого в реактор газа от некоторых примесей.

231