Лекция № 3. Общие принципы конструирования печей: тепловая работа печей

Под тепловой работой печи или ее рабочего пространства понимают всю совокупность тепловых процессов, совершающих­ся в ней.

Основным параметром, характеризующим печь-теплообмен­ник (в дальнейшем для сокращения - печь) как тепловой ап­парат, является ее тепловая мощность, выражаемая в вт или кДж/ч и представляющая собой наибольшее количество тепла необходимого потенциала, которое может быть подведено в печь в единицу времени в результате сжигания топлива или превращения в тепло электрической энергии.

Количество тепла, которое фактически подводится в печь в единицу времени, называют тепловой нагрузкой и выражают в вт или кДж/ч. Изменение тепловой нагрузки в зависимости от времени характеризует тепловой режим печи, тогда как изме­нение во времени температуры газов или электрических нагре­вателей и различных частей кладки характеризует температур­ный режим печи. Печи, работающие непрерывным процессом, характеризуются неизменным во времени температурным режи­мом и постоянной тепловой нагрузкой (например, методические, рисунок 2, а). Наоборот, печам, работающим периодическим процессом, свойственны переменные во времени температурный и тепловой режимы (например, нагревательные колодцы, рисунок 2, б). Количество тепла, которое в единицу времени пере­дается 1 м² поверхности нагрева, называют поверхностной плот­ностью теплового потока, которую выражают в вт/м² или кДж/м² • ч), а общее количество тепла, усваиваемое за 1 ч всей садкой печи,— теплоусвоением, выражаемым в вт или кДж/ч. Отношение теплоусвоения к тепловой нагрузке за один и тот же период времени называется коэффициентом полезного теплоиспользования η_кпт или иначе η_кпд.

Теплообмен в рабочем пространстве печей складывается из следующих процессов:

1) теплообмена между газами, поверхностью нагрева и внутренней поверхностью кладки (в некоторых случаях также с поверхностями элементов охлаждения);

2) теплообмена внутри материала, подвергаемого тепловой обработке;

3) теплообмена между внутренней поверхностью кладки и окружающей средой, который выражается в передаче ей тепла из рабочего пространства через футеровку печи.

1. ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ ГАЗАМИ, ПОВЕРХНОСТЬЮ НАГРЕВА И ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ КЛАДКИ

В печах различают три режима теплообмена: радиационный, конвективный и слоевой.

Тепловая работа печей с различными режимами теплообме­на различна, причем каждому режиму теплообмена соответст­вуют свои, наиболее благоприятные условия теплогенерации и движения газов.

Деление режимов теплообмена только на три вида отражает главные особенности процессов теплообмена. Возможны сме­шанные режимы, например радиационно-конвективный с преоб­ладанием излучения и конвективно-радиационный с преоблада­нием конвекции. Возможен также режим, когда излучение и конвекция равнозначны. Однако все эти режимы носят произ­водный характер и их особенности легко поддаются анализу, если известны принципиальные особенности основных режимов.

Радиационный режим работы печей

Если температура пламени и кладки превышает 1000° С, то основное количество тепла на поверхность нагрева обычно по­ступает в результате излучения, и поэтому режим работы та­ких печей является радиационным.

Рассмотрим простейшую схему топливной печи (рисунок 6). Предположим, что поверхность F_M нагрева (металла) с абсо­лютной температурой Т_Mокружена со всех сторон поверхностью кладки F_K с температурой Тк, одинаковой во всех точках клад­ки. Пусть степень черноты раскаленных газов — пламени (ε_г) по отношению к собственному и отраженному излучению печных стенок и металла (ε_м — степень черноты металла) одинакова для всех направлений и отнесена к температуре газов. Тогда, составляя уравнение баланса тепла на поверхностях металла и кладки при наличии газов, заполняющих объем печи, получим

q_мF_M=Q^м_гF_M+Q_к(1-ε_г)φ_км–Q_м (1)

q_к F_K = Q^к_г F_M +Q_м(1- ε_г) ₊ Q_к.к. – Q_к (2)

где q_м и q_к - плотность результирующих потоков на поверхно­сти металла и кладки, вт/м² или кДж/(м²• ч);

Q^м_г и Q^к_г - плотность излучения газа на 1 м² поверхности металла и кладки, вт/м² или кДж/(м²• ч);

Q_м, Q_к, Q_к.к. - полное излучение поверхности металла и клад­ки и излучение кладки самой на себя, вт/м² или кДж/(м²• ч);

φ_км - угловой коэффициент кладки на металл.

Рисунок 6 – Схема теплообмена в простейшей топливной печи

Определяя значение Q_к из формулы (2), подставляя его в уравнение (1) получим:

q_м =Q^м_г+Q^к_г(1- ε_г) + Q_м/F_M[(1- ε_г)²/w-1]+(Q_к.к/F_K-q_к)(1- ε_г) (3)

где w=1/ φ_км= F_K/ F_M – степень развития кладки.

Из уравнения (3) следует, что плотность результирующего потока на металл при постоянных значениях Т_M, q_к и и при ε_м=1 зависит от четырех факторов:

- излучения газов на поверхность металла Q^м_г, вт/м² или кДж/(м²• ч);

- излучения газов на поверхность кладки Q^к_г, вт/м² или кДж/(м²• ч)

- степени черноты газов ε_г;

- степени развития кладки w.

Могут быть три различных случая организации радиацион­ного режима работы печей: равномерно-распределенный (при Q^м_г=Q^к_г) направленный прямой (при Q^м_г > Q^к_г) и направлен­ный косвенный (при Q^к_г > Q^м_г).

Для каждого из этих режимов влияние величин ε_г и w на интенсивность теплообмена различно.

Конвективный режим работы печей

При конвективном режиме работы печей преобладает тепло­передача конвекцией. Печи, работающие чисто конвективным режимом, сравнительно редки. Так, при нагреве черных металлов и неметаллических материалов такой режим может возникнуть, если температура в печи не превышает 300°С. При нагреве цвет­ных металлов, поверхность которых характеризуется меньшей степенью черноты, конвективный режим может сохраняться до достижения температуры 500-600° С. Более широко применяют смешанный режим, когда конвекция и радиация соизмеримы.

Например, при нагреве в камерной печи штабеля труб поверхность труб, расположенных внутри штабеля, получает тепло не от стен печи, а только от газов. Так как газовые прослойки сравнительно тонки, то теплоотдача кон­векцией здесь может преобладать над теплоотдачей излучением от газов. Такое положение возможно в печах с температурой до 1000° С и даже выше. Интенсифицируя циркуляцию газов внут­ри штабеля, можно добиться равномерного нагрева труб, распо­ложенных в различных местах штабеля.

Другим примером конвективных печей являются печи для нагрева металла в жидких средах (расплавленный свинец, КС1, NaNО₃ и др.).

Из теории теплопередачи конвекцией известно, что интенсив­ность теплопередачи этого вида зависит главным образом от скорости движения теплоносителя около поверхности нагрева. Влияет также относительное расположение поверхности нагре­ва. Так, при поперечном смывании штабеля труб теплопередача конвекцией при той же скорости движения теплоносителя ока­жется интенсивнее, что объясняется условиями омывания пото­ком поверхности нагрева.

Сжигание топлива в конвективных печах осуществляется в топочном объеме, обособленном от рабочего пространства печи. Объясняется это тем, что для получения устойчивого процесса горения необходимо поддерживать в топочном объеме темпера­туру не ниже 1000° С. Но в рабочем пространстве конвективных печей температуры значительно ниже. Для создания равномер­ной температуры газов в конвективных печах широко использу­ют рециркуляцию продуктов сгорания (рисунок 7). Для этого продукты сгорания по выходе их из рабочего пространства подмешивают к продуктам сгорания, поступающим из топки.

Рисунок 7 – Схема рециркуляции продуктов сгорания

Процесс смешения описывается равенством

V_тc_тt_т + V_вc_вt_в = (V_т+V_в)c_рt_р (4)

где V_, c и t - соответственно секундное количество продуктов сгорания при 0° С и 760 мм. рт.ст., средняя теплоемкость и тем­пература, причем индексом «т» обозначены величины, характе­ризующие продукты сгорания при выходе из топки, индексом «в» - за выходом из рабочего пространства, индексом «р» — при входе в рабочее пространство. Вследствие потерь тепла в окружающую среду температура подмешиваемого возврата t_в всегда меньше температуры t'_р газов, покидающих рабочее про­странство. Из равенства (4) можно заключить, что для полу­чения одной и той же температуры t_р количество возвращаемых продуктов сгорания тем меньше, чем ниже их температура. Однако чем меньше значение t_в, тем хуже работает печь в теп­лотехническом отношении.

Наиболее неблагоприятно в этом смысле сказывается раз­бавление топочных газов холодным атмосферным воздухом, хотя конструктивно это и наиболее просто. Чем меньше падение температуры газов(t_р - t'_р) по длине рабочего пространства печи и чем больше скорость газов, тем интенсивнее работает конвективная печь. Рециркуляция продуктов сгорания увеличи­вает скорость газов, в результате повышается коэффициент теп­лоотдачи конвекцией. Однако одновременно при рециркуляции уменьшается среднелогарифмическая разность температур меж­ду газами и поверхностью нагрева (температурный напор), вследствие чего понижается интенсивность теплоотдачи. Поэто­му существуют определенные границы рентабельности примене­ния рециркуляции продуктов сгорания, если исходить из условий теплоотдачи.

Пусть К =(V_т+V_в)/ V_т -кратность рециркуляции;

∆t и ∆t' - соответственно средние температурные напоры без рециркуляции и при ее наличии;

m = t_в/t_р отношение температуры возврата к температуре газов при входе в рабочее пространство.

Пользуясь сравнительным расчетом теплоотдачи конвекцией при наличии рециркуляции и без нее, можно найти условие рен­табельности рециркуляции: К^0,8>∆t/∆t'

Практически рециркуляция в отношении теплоотдачи всегда невыгодна, если m < 0,5.

Организация механики газов в конвективных печах имеет первостепенное значение, так как от равномерности омывания газами поверхности нагрева зависит эффект теплоотдачи. Прак­тически это решается применением различного типа вентилято­ров - центробежных для создания внешней рециркуляции про­дуктов сгорания и пропеллерных (осевых) для рециркуляции в пределах рабочего пространства.

Слоевой режим работы печей

Под слоевым режимом работы печей подразумевают тепло­вую обработку материала в том случае, когда он расположен по всему объему или сечению рабочего пространства печи и поэто­му газообразный теплоноситель проходит (фильтруется) через материал или материал оказывается распределенным в теплоно­сителе.

Могут быть три разновидности слоевого режима:

1) материалы расположены плотным слоем и перемещаются медленно по сравнению с газообразным агентом, проходящим через слой; печи этого типа принято называть шахтными (рисунок 4 а); их применяют для тепловой обработки кускового ма­териала;

2) слой под динамическим воздействием газообразного или жидкого агента находится в состоянии перемешивания (рисунок 4 б), что достигается выбором надлежащей скорости агента, причем агент фильтруется через этот слой; печи этого типа при­нято называть печами с псевдоожиженным или «кипящим» сло­ем; их применяют для тепловой обработки мелкокускового или зернистого материала;

3) слой под динамическим воздействием газообразного аген­та находится во взвешенном состоянии, перемещаясь вместе с агентом, и энергично перемешивает­ся под действием турбулентных пульсаций; печи этого типа принято называть печами для процесса во взвешенном состоянии; их применя­ют для мелкораздробланного мате­риала (пылевидное состояние).

Характерными особенностями слоевого режима являются наличие весьма развитой поверхности мате­риала, неопределенность величины активной части (участвующей в теп­лообмене) этой поверхности и тес­ное переплетение теплопередачи всех видов (радиации, конвекции, теплопроводности), вследствие чего разделить их очень трудно. В силу неопределенности поверхности на­грева теплоотдачу при слоевом режиме очень часто приходится оценивать коэффициентом, отнесенным не к поверхности нагре­ва, а к единице объема слоя вт/(м³•град) или кДж/ (м³ • ч • град).

2. ТЕПЛООБМЕН ВНУТРИ МАТЕРИАЛА, ПОДВЕРГАЕМОГО ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКЕ

Теплообмен внутри греющихся твердых тел происходит вследствие теплопроводности. При нагреве жидкостей главное значение имеет конвекция, а если жидкости лучепрозрачны, то известную роль может играть лучистый теплообмен. Теплообмен внутри греющихся тел, не изменяя принцип работы печей в смысле принадлежности к тому или иному режиму внешнего теплообмена, весьма существенно влияет на их производитель­ность. Поэтому нагрев и плавление тел всегда следует вести в условиях, наиболее благоприятных для развития внутреннего теплообмена.

Такими условиями являются:

1) возможно более быстрый нагрев поверхности тела до ко­нечной температуры, ибо при этом и равномерный нагрев тела достигается в наиболее короткие сроки;

2) возможно более полное и равномерное использование по­верхности нагрева тепла.

Соблюдение этих условий, однако, зависит от технологии процесса тепловой обработки и поэтому должно рассматривать­ся совместно с ней. Исключение составляет тех­нология нагрева металла перед последующей пластической об­работкой (прокаткой, ковкой, штамповкой). Как следует из теории теплопередачи, по усло­виям внутреннего теплообмена тела можно разделять на тонкие и массивные.

Тонкие тела, обладая относительно малым внутренним теп­ловым сопротивлением (высокой теплопроводностью, малой толщиной в направлении теплового потока), при заданных ус­ловиях внешнего теплообмена нагреваются практически равно­мерно по толщине. Производительность печей для тепловой обработки тонких изделий определяется исключительно условиями внешнего теплообмена.

Массивные тела нагреваются по толщине неравномерно, поэтому в конце нагрева требуется выдержка для выравнива­ния их температуры. Для увеличения производительности подоб­ных печей надо правильно сочетать, учитывая требования тех­нологии, медленный нагрев, быстрый нагрев и выдержку. Оп­тимальное решение этого вопроса зависит от типа печи, разме­ров нагреваемых изделий и сорта металла.

3. ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ КЛАДКИ И ОКРУЖАЮЩЕЙ АТМОСФЕРОЙ

Внутренняя поверхность кладки участвует в теплообмене двух видов - внутрипечном и внешнем с окружающей средой.

Тепловой поток через кладку в окружающую среду состав­ляет 4650-7000 вт/м² т. е. он мал по сравнению с падающими на внутреннюю поверхность кладки лучистыми потоками внутри печного пространства, составляю­щими 465000-930000 вт/м². По­этому тепловой поток через кладку мало влияет на температуру внутренней поверхности ее. Вместе с тем потери через кладку составляют существенную часть выделяющегося в печи тепла. Вследствие этого они должны быть сведены к минимуму, что и определяет теплотехнические функции кладки. Тепловые поте­ри газоплотной кладки складываются из двух составляющих: потери в результате теплопроводности (Q_тепл), обусловли­ваемые разностью температур по толщине стенки, и потери теп­ла, аккумулированного стенкой (Q_акк), при нагревании и теряе­мого при охлаждении. Чем толще стенка и чем меньше ее теп­лопроводность, тем меньше потери первой группы. Потери вто­рой группы зависят от средней по массе температуры стенки и ее толщины. Потеря аккумулированного тепла играет сущест­венную роль только в печах периодического действия, когда кладка печи периодически нагревается и охлаждается. В этом случае следует применять кладку, для которой сумма потерь Q_Σ=Q_тепл+Q_акк будет величиной минимальной.

На рисунке 8 показана кладка трех основных видов: однослой­ная (а), с внешней изоляцией (б) и с внутренней изоляцией (в). Как следует из ломаных линий, характеризующих распределе­ние температур в стационарном состоянии, максимальной сред­ней по массе температурой характеризуется кладка с внешней изоляцией, минимальной - кладка с внутренней изоляцией. Внешняя изоляция дешевле внутренней, поэтому кладку с внешней изоляцией применяют для печей непрерывного дейст­вия. Кладку с внутренней изоляцией применяют в печах периодического действия с коротким периодам действия печи. Одно­слойная кладка конструктивно самая простая и дешевая, но ее применение приводит к повышенным тепловым потерям печи.

Рисунок 8 - Три типа кладок: а - однослойная; б - с внешней изоляцией; в - с внутренней изоляцией

В некоторых случаях пользуются кладкой специальных ви­дов, например такой, внутри которой расположены каналы для отвода продуктов сгорания, а с внешней стороны заключенной в кессоны. В них нагревается воздух, подаваемый для горения.

Подобное усложнение конструкции кладки иногда оправдано улучшением теплотехнических показателей работы печи.

Кроме теплотехнических, кладка выполняет строительные, а в печах некоторых типов и технологические функции, когда ма­териал 1внутренних частей кладки реагирует с материалом, под­вергаемым тепловой обработке. В таких случаях служба клад­ки нередко является узким местом в работе печи (например, в мартеновских печах).

На работу печи сильно влияет фильтрация воздуха и газов через швы и трещины, поэтому необходимо принимать все ме­ры к тому, чтобы в период работы печи кладка была газоплот­ной.

Литература: 4 осн. [12-40].

Контрольные вопросы:

1. Тепловая нагрузка, тепловые режимы, коэффициент полезного теплоиспользования.

2.Радиационный режим работы печей.

3. Конвективный режим работы печей.

4.Слоевой режим работы печей.

5. Теплообмен внутри материала, подвергаемого тепловой обработке.

6.Теплообмен между внутренней поверхностью кладки и окружающей атмосферой.

Дата добавления: 2014-12-10