4.5. Особенности теплообмена излучением в металлургических печах

Технико-экономические показатели работы высокотемпературных электрических и пламенных печей во многом определяются организацией теплообмена излучением. В таких печах доля этого вида теплообмена в тепловом балансе достигает 80-90%.

Формирование потоков излучения в рабочем пространстве печей, как это следует из предыдущего материала, определяется температурами излучателей (Т), их радиационными свойствами, оптико-геометрическими характеристиками системы . Некоторые из этих параметров могут быть целенаправленно изменены. Так обогащая дутье кислородом можно поднять температуру в факеле. Покрывая нагреваемый металл специальными красками, меняют радиационные свойства его поверхности. Конструируя элементы рабочего пространства печи можно улучшить оптико-геометрические характеристики.

В подавляющем большинстве металлургических печей используют для получения тепловой энергии топливо различных видов, продукты сгорания которого и являются основными энергоносителями. Теплообмен между ними и нагреваемым материалом определяют многие показатели печи и качество нагрева. Помимо газов в теплообмене излучением участвует и футеровка. Обычно считают, что кладка не поглощает падающий на нее поток и не передает его в окружающее печь пространство. Это условность. Фактически через кладку печи всегда теряется теплота, но при этом считают, что потери теплоты кладкой компенсируются теплоотдачей газов за счет конвекции. В связи с этим адиабатной при теплообмене излучением кладке сводится роль посредника-переизлучателя теплоты от газов через кладку на материал.

Рассмотрим систему из трех элементов «газ-металл-кладка». Необходимо определить плотность результирующего потока на металл от печных газов, имея ввиду косвенную передачу теплового излучения, обусловленного наличием кладки.

Представим результирующий поток на материал в виде:

_(4.43)

Сумма составляющих потоков, поглощенных материалом, представлена рядом:

.

После подстановки выражение результирующего потока принимает вид:

(4.44)

где

.

Для определения следует составить уравнение, которое учитывало бы условие ее адиабатности, то есть . Таким является уравнение результирующего потока на кладку:

. (4.45)

Поток падающего на кладку излучения включает:

Решение этого уравнения имеет вид:

(4.46)

В этом выражении появилась величина , которая требует определения.

Из анализа алгебры лучистых потоков следует:

(4.47)

Множитель показывает долю потоков отраженного излучения.

Рис. 4.15. Схема взаимодействие тепловых потоков в системе

«газ-кладка-материал»

Решение системы уравнений (4.44),(4.46),(4.47) позволяет получить следующее выражение для расчета результирующего потока на материал

_(4.48)

где - приведенный коэффициент излучения от газа на металл с учетом кладки.

_{. (4.49)}

Если учесть, что , то

_{. (4.50)}

Уравнение впервые получено В.Н.Тимофеевым и широко применяется в технических расчетах.