- •Оглавление
- •Предисловие
- •Глава і основы механики печных газов
- •§ 1. Элементы теории подобия
- •§ 2. Общие сведения о свойствах и движении жидкостей и газов
- •§ 3. Статика газов
- •§ 4. Динамика газов
- •§ 5. Движение газов в рабочем пространстве металлургических печей
- •Глава іі основы теплопередачи
- •§ 1. Характеристика процессов теплообмена
- •§ 2. Конвективный теплообмен
- •§ 3. Теплопроводность
- •§ 4. Теплообмен излучением
- •Глава ііі нагрев металла
- •§ 1. Окисление и обезуглероживание стали
- •§ 2. Основы рациональной технологии нагрева стали
- •§ 3. Расчет нагрева металла
- •Глава IV топливо и его сжигание
- •§ 1. Характеристика топлива
- •§ 2. Основы теории горения топлива
- •§ 3. Устройства для сжигания топлива
- •Глава V материалы и строительные элементы печей
- •§ 1. Огнеупорные материалы
- •§ 2. Теплоизоляционные материалы
- •§ 3. Строительные материалы и металлы, применяемые для печей и их элементов
- •§ 4. Строительные элементы печей
- •§ 5. Сооружение печей
- •Глава VI утилизация тепла в метал- лургических печах
- •§ 1. Характеристика методов утилизации тепла в металлургических печах
- •§ 2. Утилизация тепла отходящих дымовых газов с целью предварительного подогрева газа и воздуха
- •§ 3. Утилизация тепла отходящих дымовых газов в теплосиловых устройствах
- •§ 4. Охлаждение печей
- •Глава VII очистка дымовых газов
- •§ 1. Характеристика газоочистных устройств
- •§ 2. Очистка газов доменного производства
- •§ 3. Очистка газов в сталеплавильном производстве
- •§ 4. Очистка газов в ферросплавном производстве
- •ГлаваViii топливные печи и конвертеры,
- •§ 1. Классификация и общая характеристика тепловой работы печей
- •§ 2. Доменные печи
- •§ 3. Сталеплавильные агрегаты
- •§ 4. Нагревательные печи прокатных цехов
- •§ 5. Термические печи прокатных цехов
- •Глава IX электрические печи, применяемые
- •§ 1. Характеристика процесса электрического нагрева
- •§ 2. Дуговые и плазменные печи
- •§ 3. Индукционные печи
- •§ 4. Печи сопротивления
- •§ 5. Электронно-лучевые печи
- •Глава X пуск, эксплуатация и ремонт печей
- •§ 1. Пуск и разогрев печей
- •§ 2. Эксплуатация печей и уход за ними
- •§ 3. Ремонт печей
- •§ 4. Техника безопасности при эксплуатации печей
- •Рекомендательный библиографический список
- •Условные обозначения
- •Предметный указатель
Глава іі основы теплопередачи
§ 1. Характеристика процессов теплообмена
Основные понятия теории теплообмена
Теория теплопередачи рассматривает процессы передачи тепла из одной части пространства в другую.
Процесс теплообмена наблюдается тогда, когда тепло передается от одного, более нагретого тела, к другому, менее нагретому. Поток энергии, передаваемый частицами более нагретого тела частицам менее нагретого, называется тепловым потоком. Таким образом, для того чтобы происходил процесс передачи тепла от одного тела к другому, совершенно необходима разность температур тел, участвующих в теплообмене. Следовательно, тепловой поток всегда направлен в сторону меньших температур и, являясь величиной векторной, характеризуется не только абсолютной величиной, но и направлением.
Температура, являясь величиной скалярной, не зависит от направления и характеризуется лишь абсолютной величиной. Температура характеризует степень нагретости тела и измеряется в градусах стоградусной или абсолютной температурной шкалы.
Процесс передачи тепла развивается как во времени, так и в пространстве. Практически часто бывает необходимо знать температуру в различных точках изучаемого пространства в один и тот же момент времени. Подобное распределение температур называется полем температур или температурным полем.
Кроме изменения в пространстве, температурное поле и поле тепловых потоков может изменяться также и во времени. Таким образом, в общем случае температура Т может являться функцией координат х, у, z и времени , т. е. Т = f(х, y, z, ).
Если температура (тепловой поток) с течением времени не претерпевает никаких изменений, то говорят о «стационарном тепловом состоянии». Если же температура изменяется со временем, то такой процесс называется нестационарным.
Различают полный и удельный тепловые потоки. Полный тепловой поток Q обычно относится к единице времени и измеряется в ваттах (Вт). Тепловой поток, отнесенный к единице поверхности, называется плотностью теплового потока q (Вт/м2).
Таким образом, если F теплопередающая поверхность (м2),то
Q = qF. (35)
Иногда Q обозначает полное количество переданного тепла и выражается в джоулях (Дж) и тогда
Q = qF. (36)
где — время, с.
Виды и основные законы процесса теплообмена
Различают три основных вида передачи тепла: конвекцию, теплопроводность, тепловое излучение.
Конвективным теплообменом называют такой процесс, когда движущаяся жидкость или газ переносит тепло из более нагретых областей в менее нагретые. В технике чаще всего рассматривают конвективный теплообмен жидкости или газа с поверхностью твердых тел, при котором тепло транспортируется к поверхности (или от нее) движущимися объемами жидкости или газа. Если нет движения жидкости (газа), то нет и передачи тепла конвекцией. Математически процесс передачи тепла конвекцией описывается дифференциальным уравнением Фурье — Кирхгофа, характеризующим изменение температурного поля в движущейся жидкости.
Теплопроводность — передача тепла от одних частей тела к другим без заметного перемещения частиц. Передача тепла теплопроводностью наиболее характерно осуществляется в гомогенных непрозрачных твердых телах. В металлургической практике процессы передачи тепла теплопроводностью лежат в основе теории и практики нагрева металла. Передача тепла теплопроводностью возможна как при стационарном состоянии, так и при нестационарном.
При стационарном состоянии передача тепла от одной точки пространства к другой происходит без изменения их температуры во времени.
При нестационарном состоянии происходит изменение температуры тела во времени, т. е. тело или нагревается, или остывает. При этом его энтальпия или растет, или убывает, причем тело тем быстрее нагревается, чем выше его теплопроводность. Однако на интенсивность изменения энтальпии тела наряду с теплопроводностью тела оказывает влияние и величина теплоемкости тела. Но влияние это обратное. Чем выше теплоемкость тела, тем медленнее оно изменяет энтальпию и температуру. Таким образом, энтальпия тела изменяется тем быстрее, чем выше способность материала проводить тепло, т. е. чем больше коэффициент теплопроводности . Вместе с тем скорость изменения энтальпии тела обратно пропорциональна его аккумулирующей способности, которая определяется массовой теплоемкостью с. Таким образом, в общем скорость изменения энтальпии тела определяется соотношением величин и с, совместное влияние которых на нагрев или охлаждение тела выражается изменением коэффициента температуропроводности а = /(с) м2/с, имеющим важное значение для нестационарных процессов передачи тепла теплопроводностью.
Природа теплового излучения принципиально отличается от передачи тепла конвекцией и теплопроводностью, при которых переход тепла связан с передачей энергии молекулами, образующими твердую, жидкую или газообразную среду. При тепловом излучении энергия передается электромагнитными волнами определенной длины (инфракрасные лучи). Тепловое излучение возможно даже в вакууме; оно не зависит от температуры окружающей среды.
Чтобы решить дифференциальные уравнения для конкретного случая, необходимо, кроме основного дифференциального уравнения, сформулировать дополнительные условия, характерные только для этого случая, которые называют краевыми условиями.
Начальные краевые условия показывают температурное состояние тела перед тем, как начался процесс нагрева. Это температурное состояние может быть различным, но оно обязательно должно быть задано в виде уравнения (в общем виде), дающего распределение температуры в теле по трем осям координат, т.е. при = 0 и Tнач = f(x, y, z).
Наиболее простые и часто встречающиеся на практике временные условия показывают, что температура во всех точках тела в начальный момент времени одинакова, т. е. при = 0 и Tнач = const.
Граничные условия могут изменяться более широко. Применительно к задачам теплопроводности различают следующие виды граничных условий:
Граничные условия I рода показывают, как изменяется в процессе нагрева тела температура его поверхности. Наиболее характерным примером граничных условий I рода можно считать, когда температура поверхности тела при постоянной скорости его нагрева возрастает по прямолинейному закону.
Граничные условия II рода представляют собой такие условия, при которых задается тепловой поток, проходящий через поверхность нагреваемого тела, в функции времени q = f(). Часто, например, принимают, что q = const. Применение граничных условий II рода позволило получить выражения для практических расчетов времени нагрева в печах с переменной температурой рабочего пространства (например, в нагревательных колодцах).
Граничные условия III рода соответствуют случаю задания температурного режима печи и закону теплообмена между окружающей средой и тепловоспринимающей поверхностью. Часто, например, задаются постоянством температуры печи, т. е. Тпечи = const, и законом теплопередачи, т. е.
q = (Tпечи – Tпов).
На практике встречаются случаи, когда температура в различных частях рабочего пространства печи почти одинакова (например, камерные печи), поэтому решения, полученные при граничных условиях III рода, нашли широкое практическое применение.
Рассмотренные краевые условия справедливы как для стационарного теплового состояния, так и для нестационарного, причем для нестационарного состояния краевые условия следует задавать в зависимости от времени.
Во всем многообразии различных случаев теплообмена в твердых, жидких или газообразных средах можно выделить две большие группы: 1) случаи теплообмена между жидкостью (газом), находящейся в движении, и какой-либо поверхностью и 2) случаи, когда происходит передача тепла в твердом теле или в покоящейся жидкости.
Применительно к этим широко распространенным случаям наукой сформулированы два основных закона теплообмена. Для теплообмена конвекцией (первая группа) Ньютон в 1701 г. предложил формулу, носящую его имя, согласно которой количество передаваемого тепла прямо пропорционально имеющейся разности температур, теплоотдающей поверхности и времени процесса передачи, тепла, т. е.
Q = TF, (37)
где Q — количество переданного тепла, Дж; F —поверхность теплообмена, м2; T — средняя разность температур, К; — время, с.
Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплоотдачи [Вт/(м2К)] и показывает, какое количество тепла передается с поверхности в 1 м2 в течение 1 с при разности температур в 1 К.
Различают процессы теплоотдачи и процессы теплопередачи. Первый термин обычно применяется в том случае, когда рассматривается какая-то одна ступень теплообмена, например от газа к стенке, или наоборот. В таких случаях применяется коэффициент теплоотдачи а.
Процесс теплопередачи включает несколько ступеней передачи тепла, например передача тепла от газа к газу через разделительную стенку Этот процесс слагается из трех ступеней передачи тепла: 1) от газа к стенке; 2) через стенку и 3) от стенки к другому газу. Каждая из этих ступеней характеризуется своим коэффициентом теплоотдачи а. Весь процесс передачи тепла характеризуется суммарным коэффициентом теплопередачи, который обычно обозначается буквой К и имеет ту же размерность, что и коэффициент теплоотдачи .
Для второй группы случаев теплообмена, когда тепла распространяется теплопроводностью, важнейшим законом является закон Фурье, который для одномерного потока записывается следующим образом:
q = – (dT/dx), (38)
где q — удельный тепловой поток, Вт/м2; dT/dx — градиент температуры, показывающий падение температуры в направлении оси х, К/м.
Знак минус в выражении (38) указывает, что тепло распространяется в сторону убывания температуры.
Коэффициент называется коэффициентом теплопроводности [Вт/(мК)] и определяет количество тепла, которое передается в единицу времени через единицу поверхности при разности температуры в 1 К на расстоянии в 1 м.
В ряде случаев при расчете процессов теплообмена используется понятие теплового сопротивления R [м2К/Вт], т. е. величины, обратной коэффициенту теплоотдачи R = 1/.
При передаче тепла теплопроводностью тепловое сопротивление
где S — толщина стенки, через которую происходит передача тепла, м.