Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



Основы теплопереноса в промышленных печах




Читайте также:
  1. V1: Основы административного права Российской Федерации
  2. V1: Основы гражданского права Российской Федерации
  3. V1: Основы информационного права Российской Федерации
  4. V1: Основы конституционного права Российской Федерации
  5. V1: Основы семейного права Российской Федерации
  6. V1: Основы трудового права Российской Федерации
  7. V1: Основы уголовного права Российской Федерации
  8. V1: Основы экологического права Российской Федерации
  9. А. ПРЕДМЕТ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПСИХИАТРИИ
  10. Абрамов А.Ю., Замышляев А.В., Никитина И.Е. Основы ухода за больными. –Ярославль. –2009. –75 с.

В промышленных печах одновременно протекает ряд процессов: горение топлива, реакции диссоциации продуктов сгорания и газообразного топлива, тепло- и массообменные процессы, связанные со структурными и химическими преобразованиями в материале, эндотермические реакции восстановления и перекристаллизации сырья и т.д. Все эти процессы бывают взаимосвязаны, протекают одновременно, а совокупность этих процессов составляет суммарный процесс тепловой обработки материала.

Однако важнейшим из них остаётся процесс переноса тепла. Этот процесс зависит от типа печи, формы и размеров рабочего пространства, способа расположения нагреваемых изделий, типа и способа сжигания топлива.

 

По виду технологического процесса нагрева материала различают:

¾ Без изменения структуры и физико-химических свойств;

¾ С изменением структуры и физико-химических свойств;

¾ С плавлением шихтовых материалов.

 

По способу нагрева различают:

¾ Прямой нагрев материала (непосредственный контакт материала с продуктами сгорания или факелом). Такой процесс нагрева наблюдается в мартеновских и стекловаренных плавильных печах, методических нагревательных печах, обжиговых камерных печах, барабанных вращающихся печах и в нагревательных колодцах;

¾ Косвенный нагрев материала (непосредственный контакт материала с факелом отсутствует). При таком режиме нагрева материал может быть изолирован от дымовых газов и тепло передаётся материалу через разделяющую поверхность. Такой режим нагрева реализован в коксовых печах, муфельных печах и печах с радиационными трубами. Учитывая усложнённые конструкции таких печей и значительное влияние на теплоперенос стенки, косвенный нагрев более сложный и дорогой по сравнению с прямым нагревом.

¾ Нагрев в кипящем слое промежуточного теплоносителя. Этот процесс нагрева идёт очень интенсивно вследствие активного перемещения кускового мелкозернистого материала по объёму печи и его перемешивания. Такие печи применяются для обжига и обогащения руд в металлургии, при обжиге серного колчедана в химической промышленности, термических печах и т.д.

¾ Нагрев в расплавленных жидких средах (расплавах солей), который применяется, как правило, в технологии термической обработки материала. В качестве солей используется: NaCl, KCl, KNO3, BaCl2, NaNO3 и их смеси. Его преимущества – быстрый безокислительный нагрев.



Перенос тепла в печах от факела (источника тепла) к материалу носит сложный характер и его принято разделять на внешний и внутренний теплообмен.

Процесс внешнего теплообмена представляет собой передачу тепла к наружной поверхности материала (расплава) от факела и обмуровки печи. В общем случае внешний теплообмен может быть лучистым, конвективным и смешанным, и определяется он температурой газового потока, его степенью черноты и скоростью движения газов.

Внутренний теплообмен – это процесс переноса тепла внутри нагреваемого материала или расплава, обусловленный перепадом температур по толщине. В твёрдых телах – это перенос тепла теплопроводностью, в расплавах перенос тепла зависит от газовыделений, перемешивания и теплопроводности расплава.

В зависимости от уровня рабочих температур в печи, технологических процессов протекающих в печах – определяющим может быть либо внешний либо внутренний теплообмен.

В сталеплавильных и стекловаренных печах скорость плавки определяет внешний теплообмен. В нагревательных колодцах, при нагреве массивных тел и тел с малым коэффициентом теплопроводности l, определяющим является внутренний теплообмен. Материал в этом случае нагревают строго по своему графику во избежание: коробления, растрескивания, большого угара металла и т.д.



При нагреве тонких тел ( критерий Віо ≤0,1) внутренним теплообменом можно пренебречь, так как перепад температур по толщине материала для этих тел небольшой.

При прямом нагреве материала процесс переноса тепла условно представлен на рис.1,2

 

 

 

 


Рис.1 Схема процесса переноса тепла в печи.

 

 

Рис.2 Процесс переноса тепла в печи.

 

При сжигании топлива в рабочем пространстве печи продукты сгорания передают свою энергию на металл и на кладку путём излучения и конвективного теплообмена. При этом кладка излучает на металл (материал), а металл (материал) излучает на кладку. И кладка и металл излучают сами на себя. Часть тепла через кладку и окна отводится в окружающую среду.

Как правило, степень черноты газов невелика, εг ≈ 0,25-0,35 и она сильно зависит от концентрации Н2О и СО2 в продуктах сгорания. Для ряда нагревательных печей с электрическим обогревом, в качестве газовой среды, используется воздух или инертный газ - азот. Такую газовую среду можно считать лучепрозрачной, то есть излучательной и поглощательной способностью таких газов можно пренебречь.

 

Равномерно-распределенный теплообмен

Рассмотрим случаи равномерно распределительного теплообмена, когда температура и лучистые потоки газов принимаются постоянными по объёму рабочего пространства печи.



Составим уравнение теплового баланса для поверхности материала и кладки без учёта угловых коэффициентов излучения. Пространство между ними заполнено факелом.

Введём следующие обозначения:

¾ Qм – эффективный тепловой поток на поверхность материала;

¾ Qкл – эффективный тепловой поток на поверхность кладки;

¾ Qмп – падающий тепловой поток от факела на материал;

¾ Qклп – падающий тепловой поток от факела на кладку;

¾ εм – степень черноты материала;

¾ εкл – степень черноты кладки;

¾ εф – степень черноты факела;

¾ qм – результирующий тепловой поток на материал;

¾ qкл – результирующий тепловой поток на кладку;

Тогда запишем:

¾ результирующий тепловой поток на материал

qм= Qмп + Qкл(1- εф)- Qм

¾ результирующий тепловой поток на кладку

 

qкл= Qклп+ Qм(1- εф)- Qкл

В печах имеет место три характерных режима радиационного теплообмена:

¾ равномерно-распределительный теплообмен

Qмп≈ Qклп

Падающие лучистые потоки на кладку и материал примерно равны;

¾ направленный прямой лучистый теплообмен

Qмп> Qклп

Падающий лучистый поток на материал больше падающего на кладку;

¾ направленный косвенный теплообмен

Qмп< Qклп

Падающий тепловой поток на кладку больше падающего потока на материал.

Для каждого из этих случаев роль кладки и факела будет различной, а это и определяет особенности лучистого теплообмена в печи. Одним из первых эти особенности исследовал Глинков М.А. – основоположник теории печей.

Наиболее корректно можно записать уравнения лучистого теплопереноса в печи при равномерно распределённом теплообмене. Тогда запишем величину лучистых потоков:

 

Qмп0·10-8 εф·Тф4[1-(1-εкл)(1-εф)]

 

Qкл= С0·10-8 εкл·Ткл4

Qм= С0·10-8 εм·Тм4[1-(1-εкл)(1-εф)2]

 

Подставив в уравнение полученные значения тепловых потоков, М.А. Глинков получил:

 

qм0·10-8ф·Тф4 [1-(1-εкл)(1-εф)]+ εкл·Ткл4(1-εф)- Тм4[1-(1-εкл)(1-εф)2]}

 

Поскольку окисленная поверхность материала имеет степень черноты 0,85÷0,95, для упрощения записи принимаем εм≈1.

Анализируя полученное уравнение можно сделать вывод, что чем выше Ткл тем больший результирующий лучистый поток на материал, т.е. при холодной кладке (равномерно-распределённый теплообмен) тепловой поток на материал значительно уменьшается, следовательно, эффективность нагрева падает.

В то же время при повышении степени черноты факела интенсивность теплообмена растёт и достигает максимума при εф=1.

В реальных условиях на нагрев материала большое влияние имеет степень развития кладки ω=Fкл/Fм. С увеличением степени развития кладки результирующий тепловой поток на материал также растёт.

Таким образом, для интенсификации теплообмена в печи при равномерно распределённом теплообмене следует увеличивать температуру поверхности кладки, температуру и степень черноты факела.

Направленный прямой радиационный теплообмен характерен для ряда нагревательных и плавильных печей при нагреве массивных заготовок.

В этом случае факел максимально приближен к поверхности нагреваемого материала. Учитывая, что излучение кладки в этом случае вторично, увеличение результирующего теплового потока на материал особенно зависит от температуры и степени черноты факела. Такой вид теплообмена наблюдается в мартеновских, стекловаренных печах, нагревательных колодцах и т.д. при использовании горелок с внешним смесеобразованием.

Направленный косвенный радиационный теплообменимеет место, когда факел удалён от материала и максимально приближен к кладке. В этом случае у поверхности кладки достигается максимально допустимый для этой кладки уровень температур. При этом могут использоваться плоско-факельные кинетические горелки или электрические нагреватели, расположенные на поверхности кладки печи.

Печи, работающие по такому принципу, называются рефлекторными и широко применяются для нагрева заготовок из цветных металлов (сплавов) и в печах с довольно низкими температурами рабочего пространства, во многих электрических печах косвенного нагрева.

Данный режим не применяется в обжиговых печах, когда требуется равномерный нагрев изделий, имеющих низкий коэффициент теплопроводности. Форма кладки в печах с таким режимом нагрева играет более существенную роль при тепловой обработке материала, чем в печах прямого или равномерно-распределённого теплообмена.

В пламенных печах косвенного нагрева максимальный тепловой поток на материал достигается при степени черноты факела 0,5÷0,6.

 


Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 7; Нарушение авторских прав







lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2021 год. (0.018 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты