2.4 Розрахунок зовнішнього теплообміну у робочому просторі

Робочій простір печі з точки зору теплообміну є системою, що складається із газів, кладки і виробів, що нагріваються. Основним носієм теплової енергії є гази, від яких теплота передається на кладку і виробам, що нагріваються, випромінюванням і конвекцією.

Визначаємо геометричні параметри випромінюванням.

Поверхня кладки є сумою поверхонь – торцевих, бокових стінок, зведення в поду, м²:

Випромінювальна поверхня металу, м²:

Об’єм робочого простору печі, м³:

Об’єм металу, м³:

Об’єм робочого простору, що заповнений газом, м³:

Ефективна товщина газового шару:

Ступінь чорноти газів залежить від їх складу, умов спалювання палива, запиленості та ін. Відомо, що випромінювальною здатністю володіють триатомні гази. Якщо вважати газову атмосферу в печі вільною від механічних зависань, то ступінь чорноти газів можна визначити як суму

де - ступінь чорноти вуглекислого газу;

–поправочний коефіцієнт;

–ступінь чорноти водяної пари.

Зазначені величини знаходять з графіків (додаток Е) залежно від температури газів і добутку парціального тиску газів СО₂, Н₂О на довжину випромінювального шару.

Парціальний тиск триатомних газів визначаємо за формулами:

де і– об’ємні частки СО₂ і Н₂О у продуктах згорання;

- тиск у робочому просторі печі, (=98,1 кПа).

На підставі наведеного

= 8,60,507=4,36

= 17,09850,507=8,669

Користуючись графіками (додаток Е) знаходимо ,,і визначаємодля різних температур.

Частка випромінювання,що йде від однієї поверхні до другої, називається кутовим коефіцієнтом φ_к.м..

Визначаємо кутовий коефіцієнт φ_к.м. за такою формулою,що справедлива на випадок розташування металу на поді печі із зазорами:

Приведений коефіцієнт випромінювання систем газ – кладка – метал С_г.к.м., Вт/(м²·К), знаходиться з рівняння

де – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, який дорівнює 5,7 Вт/(м²·К⁴);

–ступінь чорноти газів;

–ступінь чорноти металу, дорівнює – 0,8;

–кутовий коефіцієнт випромінювання від кладки на заготівки.

• При = 1200⁰С-

Коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням α_в, Вт/(м²·К), до сталевих заготівок визначається на початку і в кінці нагрівання рівнянням

Тепловий потік від газів до сталевих заготівок визначається також на початку і в кінці нагрівання рівнянням, Вт:

При розрахунку тривалості нагрівання заготівок у печах користуються поняттям «термічно тонкі тіла» і «термічно масивні тіла». Область тонких і масивних тіл визначається значеннями критеріїв Біо і Старка.

Середній коефіцієнти тепловіддачі за 1- й період

Коефіцієнт теплопровідності , Вт/(м·К) (додаток Г),

Критерій Біо визначається за формулою:

Критерій Старка:

де – коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²·К);

–коефіцієнт теплопровідності матеріалу, Вт/(м·К);

- приведений коефіцієнт випромінювання, Вт/(м²·К⁴);

- температура печі;

- характерний розмір, м.

Для розрахунку критерію Біо на початку і в кінці нагрівання визначають коефіцієнти тепловіддачі α_n і α_k, Вт/(м²·К),

На підставі розрахунку критерію Bi можна зробити висновок, до яких тіл належать заготівки, що нагріваються.

Розрахунок тривалості нагрівання заготовок розбиваємо на три періоди за температурою їх поверхні:

1. t_пов =20…800⁰С;

2. t_пов =800…1000⁰С;

3. t_пов =1000…1100⁰С.

У першому періоді нагрівання визначаємо коефіцієнти тепловіддачі α_n1 на початку і в кінці нагрівання, Вт/(м²·К).

Середній коефіцієнти тепловіддачі за 1- й період

Коефіцієнт теплопровідності , Вт/(м·К) (додаток Г),

Критерій Біо

Безрозмірна температура поверхні заготівки

По номограмі знаходжу значення критерія Фур’є=1,6

Безрозмірна температура поверхні

Температура середини заготівки в кінці першого періоду визначається рівнянням, ⁰С,

Різниця температур поверхні і центру, ⁰С,

Середня температура заготівки буде дорівнювати, ⁰С,

Середню теплоємність заготівки в першому періоді визначають з рівняння, кДж/кг·К,

Значення ентальпії заготовки при івизначаються з таблиці додатка Д.

Коефіцієнт теплопровідності (додаток Г), Вт/(м²·К),

Коефіцієнт температуропровідності заготівки у першому періоді, м²/с,

Термін нагрівання заготівки у першому періоді, с,

За цією методикою знаходяться також терміни нагрівання заготівок у другому і третьому періодах.

Другій період нагрівання заготівки:

=0,79

По номограмі знаходжу значення критерію Фур’є=0,21

Безрозмірна температура поверхні

Третій період нагрівання заготівки:

По номограмі знаходжу значення критерію Фур’є=0,2

Безрозмірна температура поверхні 2

Загальний термін нагрівання заготівок, с,

5017,6+833,2+713,44=6564,24=1,82

Визначення продуктивності печі

Ємність печі

Продуктивність печі