Оборудование

Промышленная печь как теплотехнический агрегат

Печная теплотехника, как и другие науки теплотехнического характера, опирается на физические науки (учение о теплопередаче и движении газов), на химические и физико-химические науки (учение о горении); однако указанные науки, являющие­ся теоретическими основами печной теплотехники, все же не яв­ляются еще предметом теории печей, четкое определение которой очень важно с точки зрения обеспечения прогресса данной от­расли технической науки. Действительно, в технической физике, химии и физической химии рассматриваются проблемы теплопе­редачи, движения газов и горения как таковые, независимо от конкретных условий протекания смежных процессов. Например, учение о теплопередаче конвекцией, естественно, рассматривает этот вид передачи тепла в зависимости от скорости движения сред, что, однако, непосредственно не связано с конкретными условиями движения газов в рабочих камерах печей, не говоря уже о влиянии на теплопередачу конвекцией процесса горения и технологических процессов.

То же самое можно сказать и о теплопередаче излучением. В технической физике рассматривается тот или иной процесс при определенных встречающихся в технике краевых условиях, и при этом возможная связь этого процесса с процессами в окру­жающей среде заменяется теми или иными краевыми условия­ми, обычно относительно простыми, чтобы облегчить получение точных решений. Различные физические /теории могут дать не­посредственно ответы на поставленные вопросы печестроения, если в рассматриваемом явлении представлены в чистом виде или преимущественном значении процессы, относящиеся к дан­ной отрасли физики. Например, в электрических нагревательных печах не происходит горения, и можно пренебречь движением газов. В этом случае простое применение теории теплового из­лучения может дать практически точные результаты. Общая теория печей строится на базе физических и физико-химических тео­рий и представляет собой систему научных взглядов в области тепловой работы печей. Предметам ее изучения являются про­цессы теплообмена, горения и движения газов, рассматриваемые во взаимной связи и обусловленности применительно к условиям работы печей.

Сюда, следовательно, можно отнести изучение тех или иных краевых условий как результата взаимодействия различных про­исходящих в печи теплотехнических процессов. Поясним сказан­ное на следующем примере. Пусть имеется рабочая камера пе­чи, в которой протекает целая совокупность взаимосвязанных теплотехнических процессов. Для каждого из этих процессов могут быть написаны характеристические уравнения, опираю­щиеся на механизм данного процесса или на феноменологиче­ские представления о нем. Путем составления уравнений, ха­рактеризующих краевые условия, для каждого из этих процес­сов в отдельности формулируются задачи технической физики. Однако совокупность указанных уравнений не описывает еще процесс в целом, протекающий в рабочей камере печи. Для то­го чтобы охватить такой сложный процесс, все отдельные про­цессы должны рассматриваться комплексно и поэтому различ­ные параметры, входящие в уравнения для отдельных процес­сов, должны быть между собой связаны дополнительной систе­мой уравнений. Эти связи нельзя найти в общем виде для печей всех видов; они могут быть установлены для отдельных групп родственных печей. Таким образом, возникает необходимость классификации печей или, точнее, режимов их работы.

Комплексное рассмотрение теплотехнических процессов на основе определенной классификации режимов работы печей и есть коренная задача общей теории печей.

Только таким путем можно получить динамические харак­теристики тепловой работы печей, столь необходимые для комплексного автоматического регулирования, особенно с помощью счетно-решающих устройств. Сложность указанной задачи на­столько велика, что аналитическое ее формулирование зачастую пока невозможно. Однако решать эту задачу необходимо, ис­пользуя все доступные средства (моделирование, приближенные решения, основанные на упрощающих предпосылках, и т. д.), а с точки зрения понимания существа работы печей, даже каче­ственный анализ является весьма важным.

Оборудование промышленного производства можно разделить на два класса: энергетическое и технологическое. Назначение энергетического оборудования — преобразование одного вида энергии в другой, изменение энергоносителя, а также параметров энергии.

Энергетическое оборудование также удобно делить на два класса: энергогенераторы и энергопреобразователи соответствующих видов энергии. В энергогенераторах нужный вид энер­гии получается из другого вида, например пламя и слой топлива выпол­няют функции генератора тепла из химической энергии топлива, элект­рическая дуга генерирует тепло из электроэнергии, электродвигатель генерирует механическую энергию из электрической, а гидравлическая турбина — из гравитационной и т.д. В энергопреобразователях вид энергии остается неизменным, но в нужном направлении изменяются ее параметры, а в некоторых случаях изменяется энергоноситель. Так, например, в регенераторах и рекуператорах продукты сгорания как теплоносители заменяются воздухом или горючим газом.

При генерировании и преобразовании энергии неизбежна ее дисси­пация, поэтому количество энергии на выходе из энергетического обо­рудования всегда ниже, чем на входе. Соотношение этих величин ха­рактеризует совершенство процесса генерации или преобразования энер­гии, т.е. к.п.д. энергооборудования. Наиболее низкие к.п.д. характер­ны для теплового оборудования вследствие практически неизбежных потерь тепла в окружающую среду.

Назначением технологического оборудования является использование с максимально возможным к.п.д. рабочего вида энергии для осуществ­ления данного технологического процесса. Многообразие технологичес­ких процессов, применяемых в промышленности, определяет и многооб­разие видов технологического оборудования. К технологическому обо­рудованию относятся станки для механической обработки металлов, прокатные станы, кузнечные молоты и прессы, а также тепловое обо­рудование. Тепловым технологическим (теплотех­ническим) оборудованием называется такое, в котором рабочим видом энергии является тепло. Печи различных конструкций и назначения являются наиболее важным видом этого оборудования.

"Печь" – это пространство огражденное от окружающего пространства тепловое технологическое оборудование, в котором происходит генерация тепла из того или иного первичного вида энергии и передача тепла материалу, подвергаемому тепловой обра­ботке в технологических целях (плавлению, нагреву, сушке, обжигу и т.д.).

В целом печь является объединением теплогене­ратора и теплопреобразователя (теплообменника). Дополнительный приз­нак — ограждение от окружающего пространства имеет целью несколько сузить использование термина "печь" в соответствии с существующей традицией. При этом под понятие "печь" не попадают устройства, ис­пользующие тепло в технологических целях, но не имеющие огражде­ния, например, газо-кислородные резаки, применяемые в машинах непрерывного литья заготовок, или сварочные аппараты.

В печах протекает комплекс явлений, сопровождающих получение тепла, его преобразование и использование для осуществления тех­нологического процесса. Совокупность этих явлений получила название тепловой работы печей.

Печь, независимо от назначения, включает в себя следующие основ­ные элементы:

– рабочее пространство, представляющее собой камеру той или иной конфигурации, огражденную огнеупорной футеровкой;

– устройства, обеспечивающие генерацию тепловой энергии (топки, горелки, форсунки, электронагреватели и т.д.);

– устройства для удаления продуктов сгорания (дымовые каналы, отсечные клапаны, дымовые трубы и др.);

– устройства для использования тепла отходящих газов (регенераторы, рекуператоры, котлы-утилизаторы и др.);

– механическое оборудование (устройства загрузки, транспортиров­ки и выгрузки материала, открытия и закрытия рабочих окон и т.д.).

Понятие «теория печей» является более широким, чем теория тепловой работы печей, поскольку можно назвать ряд нетеплотехнических проблем печестроения, однако в дальнейшем в це­лях сокращения термин «теория печей» будем относить именно к теории тепловой работы, поскольку главным содержанием ра­боты печей в соответствии с определением печи как теплового аппарата является их тепловая работа.

Теория печей как теоретический раздел науки о конструиро­вании, строительстве и эксплуатации печей едина, но внутри ее можно усмотреть рациональное распределение материала между общей теорией тепловой работы печей и частыми теориями для печей конкретного технологического назначения.

Предметом общей теории тепловой работы печей являются теплотехнические проблемы конструирования и эксплуатации пе­чей, общие для печей различного технологического назначения, и общие принципы расчета печей как теплового аппарата.

В одной и той же печи с успехом могут совершаться различ­ные технологические процессы, поэтому в общей теории печей теплотехнические проблемы рассматриваются вне связи с техно­логическими задачами.

Предметом частных теорий тепловой работы печей является приложение положений общей теории к печам конкретного тех­нологического назначения, когда полностью учитываются все технологические процессы, совершающиеся в печи данного типа, и конкретный метод расчета тепловой работы печи данного тех­нологического назначения. Таким образом, теория тепловой ра­боты мартеновских печей, нагревательных колодцев, туннельных печей для обжига кирпича и т. д. представляют собой частные теории печей.

Основываясь на изложенном, необходимо рассматривать тео­рию нагрева металла как составную часть частных теорий пе­чей. Действительно, теория расчета нагрева металла методами теории теплопроводности является предметом физики, а не тео­рии печей. Всесторонний анализ нагрева металла не может быть сделан без учета конкретных условий технологии, что и являет­ся содержанием частных теорий печей.

Развитие теории печей позволяет установить рациональные правила конструирования печей. Некоторые из них вытекают не-посредственно из общей теории тепловой работы и поэтому яв­ляются общими для печей различных типов. Другие вытекают из частных теорий и поэтому приложимы только к печам соответ­ствующих типов или отдельным их группам.

В основе всякого обобщения должна лежать рациональная классификация. Рациональная классификация в любой науке должна быть связана с формой движения материи, которую дан­ная наука изучает. Значение классификации в науке раскры­вается [словами Ф. Энгельса [1]: «Классификация наук, из кото­рых каждая анализирует отдельную форму движения или ряд связанных между собою и переходящих друг в друга форм дви­жения, является вместе с тем классификацией, расположением, согласно внутренне присущей им последовательности, самих этих форм движения, и в этом именно и заключается ее значе­ние».

Исходя из этого, тепловые устройства выше были разделены на четыре характерные группы по признаку решающего тепло­вого процесса. Поскольку главными, определяющими теплотех­ническими процессами в печах являются процессы, теплообмена, постольку для обобщения принципов расчета, конструирования и эксплуатации печей в рамках общей теории тепловой работы в основу должна быть положена классификация по признаку тепло-обменных процессов. Это следует и из того, что процессы горе­ния и движения газов, например в электрических нагревательных печах, иногда вообще отсутствуют, а в топливных печах имеют подчиненное значение и должны быть организованы так, чтобы обеспечить наилучшее развитие процессов теплообмена.

Для того чтобы можно было сделать обобщения в рамках частных теорий печей, классификация по признаку темплообмен-ных процессов, естественно, является недостаточной. Должны быть введены дополнительные классификационные признаки, вы­деляющие из общего понятия «печь» печь конкретного техноло­гического назначения. Если для принципа классификации по признаку теплообменных процессов можно провести аналогию с дифференциальными уравнениями, характеризующими, как из­вестно, принадлежность данного явления к тому или иному клас­су явлений, то дополнительные признаки можно рассматривать как некоторого рода «краевые условия».

Дополнительные классификационные признаки удобно раз­делить на три группы: технологические, энергетические и эксплу­атационные.

К технологической группе относятся, характеристики материа­лов, подвергаемых тепловой обработке, характеристики процес­сов, происходящих в печи, в частности температура и допускае­мая скорость нагрева, требования к атмосфере печи, мощность печи и др.

К энергетической группе относятся: сорт применяемого топ­лива и его характеристики, способ и температура подогрева топ­лива и воздуха, способ использования тепла отходящих газов и т. д.

К эксплуатационной группе относятся: способ подачи, транс­портирования и выдачи материалов из печи, условия ее обслу­живания, условия службы огнеупоров и т. д.

Как следствие из всего сказанного ранее вытекает, что в расчете печей можно усмотреть следующие составляющие:

1) принципы расчета;

2) методика определения тех иди иных величин;

3) техника расчета.

Установление правильных принципов расчета печей является предметом общей теории печей. Для установления этих прин­ципов, в частности, также необходима классификация режимов работы печей по признаку теплообменных процессов, так как это позволяет правильно определять для печей каждого типа наи­более целесообразную, с точки зрения достижения точности, на­правленность расчета.

Методики определения применяемых в расчетах величин яв­ляются чаще всего предметом физики и физической химии (ко­эффициент теплоотдачи к поверхности тела, время нагрева тела, температура горения топлива, длина факела и т. д.).

Техника расчета печей является предметом частных теорий, так как различна для печей разного технологического назначе­ния, а также зависит от других параметров (вид топлива, спо­соб нагрева воздуха и т. д.), которые входят в состав дополни­тельных классификационных признаков.

Техника расчета печей в свою очередь охватывает главные и вспомогательные элементы расчета. Главными, стержневыми элементами расчета, от которых зависит его точность, являются:

1) определение производительности агрегата;

2) определение общего расхода тепла на процесс и изменение расхода тепла во времени;

3) определение мощности энергетических устройств. Вместо того чтобы рассчитывать все указанные величины,

можно их выбрать на основании данных практики. Это, однако, можно квалифицировать как консервативный метод, отражаю­щий только существующую практику, и использование такого метода означает по сути дела отказ ют расчета печи и, как след­ствие, от выяснения возможностей интенсификации ее работы. При теоретическом расчете печи производительность определя­ют на основании расчета теплообменных процессов, при кото­ром полностью должны быть учтены требования технологии.

Такой метод, если, конечно, в расчете будут учтены все ос­новные особенности происходящих процессов, по самой своей природе является прогрессивным, поскольку он позволяет уста­навливать пути улучшения работы печей.

Расход тепла на (процесс определяют путем составления теп­ловых балансов для отдельных отрезков времени (для печей с не­стационарным тепловым режимом), основанных на расчете про­цесса тепловыделения (горения) с учетом теплопередачи окру­жающей среде.

Мощность энергетических устройств определяют на основа­нии расчета механики газов для системы печи.

Таким образом, для того чтобы выполнить основные элемен­ты расчета, необходимо проводить энергетические расчеты про­цессов теплопередачи, тепловыделения и движения теплоноси­телей. К вспомогательным расчетам относятся все остальные расчеты и в первую очередь определение геометрических харак­теристик тех или иных элементов печи. Вспомогательные расче­ты должны служить средством для создания такой конструкции, которая была бы наиболее благоприятна с точки зрения исполь­зования энергетических возможностей агрегата.

Создание теоретического метода расчета процесса или агре­гата является, как известно, завершающим этапом в построении теории.

Еще сравнительно недавно производительность печей опре­делялась почти исключительно по опытным данным, что сущест­венно снижало научный уровень расчета печей. Действительно, если основная исходная величина (производительность) опреде­ляется по эмпирическим данным, то и все прочие параметры ра­боты печей, какими бы методами расчета они не определялись, можно считать достоверными постольку, поскольку к данному конкретному случаю приложимы взятые в основу эмпирические данные. Так в настоящее время рассчитывают мартеновские и многие другие печи.

Производительность печей определяется развитием теплообменных процессов в рабочем пространстве. Поэтому в теорети­ческом расчете печей основным, исходным расчетом должен быть расчет теплообмена в рабочем пространстве. Для выполнения этого расчета следует установить, какой вид теплообмена яв­ляется лимитирующим, ибо,в целях определения производитель­ности печей с большой точностью должен быть рассчитан тепло­обмен именно этого вида.

Современная техническая физика обладает значительным арсеналом методик расчета теплопередачи теплопроводностью, конвекцией и лучеиспусканием для различных краевых условий. Однако этого недостаточно для того, чтобы удовлетворить тре­бования, предъявляемые со стороны расчета печей. Краевые ус­ловия теплообмена столь многообразны, что разработанные в технической физике методы не позволяют пока решать весьма многие практические задачи.

Вопрос о возможной точности расчета печей является весьма трудным и глубоким.

Наиболее точны расчеты, носящие термодинамический харак­тер, когда определяются конечные или равновесные параметры того или иного процесса, т. е. величины, значение которых не зависит от скорости протекания этого процесса.

Расчеты кинетики процессов (горения, теплообмена и т. д.) находятся на более низкой ступени развития. Из них проще и точнее можно рассчитать процессы, относящиеся к стационар­ному состоянию, т. е. когда скорость процесса является постоянной величиной.

В итоге неточность расчетов печей обусловливается двумя главными причинами:

1) излишней схематизацией процесса для использования наи­более простых и точных методов решения тех или иных частных задач: например, замена термокинетичеакого метода решения термодинамическим, нестационарного процесса —совокупностью мгновенных стационарных состояний и т. д.;

2) использованием усредненного значения величин, харак­теризующих физические свойства агентов, которые участвуют в процессе, вместо реального переменного значения этих величин.

Таким образом, каждый расчет печи в той или иной степени неточен и это практически пока неизбежно. Поэтому главным вопросом является установление погрешности определения ос­новных величин, характеризующих тепловую работу печи.

Дата добавления: 2014-01-11