Файл: Несенчук А.П. Пламенные печи для нагрева и термообработки металла учеб. пособие.pdf

Здесь, как уже отмечали, первый, второй и третий члены пра­ вой части выражения (4.24) — соответственно потери гидростати­ ческого напора, динамического напора и потери в результате трения.

4.3. ОРГАНИЗАЦИЯ ДВИЖЕНИЯ ПОТОКА ГАЗОВ В РАБОЧЕМ ПРОСТРАНСТВЕ ПЛАМЕННЫХ ПЕЧЕЙ

Рассмотрим соотношение, характеризующее тепловую работу печи [39]:

где Qs — тепло, внесенное в рабочее пространство печи с топли­ вом и воздухом-окислителем:

Qx— Q H P + Q B + Q t ;

г] — коэффициент, учитывающий величину безвозвратных потерь;

0 внешн — теплоприток к поверхности садки за счет внешнего

теплообмена;

QBH— тепло, воспринятое садкой.

Нетрудно заметить, что наряду с тепловой мощностью (член

работа печи во многом определяется процессами теплообмена меж­ ду газами и поверхностью металла. При этом в первый и последую­ щие периоды нагрева каждый из членов выражения (4.25) влияет на нагрев по-разному. В начальный период (основной нагрев), когда возможности теплообмена в формировании процесса нагрева исклю­ чительно велики, ограничивать процесс будет теплоприток Qz. •Следовательно, для этого этапа нагрева весьма важно создать усло­ вия для максимального тепловыделения в зоне печи. В последующие периоды процесс нагрева начинает ограничиваться теплообменом. В конечном итоге в зоне выдержки определяющим оказывается внутренний теплообмен.

Следует отметить, что на первом этапе нагрева заданная тепло­ вая мощность обеспечивается сравнительно легко. Для этого уста­

90

подогрев топлива. Что же касается обеспечения нужной интенсив­ ности взаимосвязанных между собой внешнего и внутреннего тепло­ обмена, то в данном случае дело обстоит намного сложнее, так как на завершающих этапах теплообмен определяется коэффициентом температуропроводности садки.

Принимая во внимание возможность интенсификации теплооб­ мена в начальный период, время, необходимое для нагрева садки

очередь достигается увеличением температуры газов в печи. Сокра­ щение времени нагрева в первом периоде, как правило, повышает длительность периода выдержки, что вызвано увеличением началь­ ной разности температур поверхности и середины нагреваемого металла А£Нач тиыд и, следовательно, уменьшением отношения

/ А^кон \ ' А/нач твьід

При этом общее время нагрева садки

X— 2 Т~)-Твыд

будет сокращено (рис. 4.2), что нетрудно заметить, сопоставляя

А^кон’спыд = 5 0 ; £кон=1000°С для плиты толщиной 600 мм.

Принимая во внимание, что выравнивание температуры метал­

ла (выдержка) происходит при ^,.BbIÄ=const, период выдержки не может быть сокращен изменением интенсивности внешнего тепло­

обмена (конечно, не нарушая условия ^м.выД= const). Отсюда можно сделать вывод, что скорость нагрева можно регулировать только

91

в начальный период нагрева, что в конечном счете выражается в из­ менении величины S T . Учитывая сказанное, следует помнить, что сокращение времени Ет за счет интенсификации внешнего тепло­ обмена (скоростной нагрев) приводит к значительному возрастанию Твыд, что обусловливает исключительно высокие требования к орга­ низации режима движения газов и однородности их потока в зоне выдержки. В противном случае скоростной нагрев на начальном промежутке времени приведет не к сокращению, а увеличению об­ щей длительности пребывания металла в печи. Последнее может быть объяснено следующим образом.

Пламенные печи работают за счет непрерывного ввода свежих порций греющих газов в виде горящих факелов, благодаря чему поддерживается общее теплосодержание зоны на нужном уровне. Тепловая нагрузка зоны зависит от количества вводимых греющих газов. При такой тепловой схеме работы не вся поверхность нагре­ ваемой садки будет воспринимать тепло с одинаковой интенсив­ ностью (имеется в виду зона выдержки). Будет иметь место суще­ ственная неравномерность и неудовлетворительное качество про­ грева. Для исправления этих недостатков потребуется большая выдержка металла в печи, и общее время нагрева не сократится, а увеличится. Поэтому при организации скоростного нагрева вопро­ сы организации режима движения газов, их одинакового нагревания по сечению и длине потока имеют первостепенное значение и тре­ буют детальной проработки при осуществлении тепловой работы пламенных печей.

Известно, что в рабочем объеме пламенной печи теплообмен совершается не только между греющими газами и поверхностью садки, а в более сложной системе, т. е. греющие газы — атмосфера печи — кладка — поверхность садки. В соответствии с этим вводит­ ся понятие условной эффективной температуры печи:

4.п — температура газов в рабочем объеме печи (атмосфере печи);

4-л и 4іп — соответственно температура кладки и поверхности садки, °С (°К).

Очевидно, что одной из первостепенных задач по интенсифика-

' Д4 ач ' Z T

риоде нагрева будет сокращение числа факторов, влияющих на тем­ пературу 4 [выражение (4.26)]. При этом наиболее рациональными следует считать условия нагрева, при которых 4 = 4 л и, следова­ тельно, 4іп= /(4 .п ), т. е. когда температура поверхности садки будет зависеть только от температуры газов 4.п, заполняющих объем печи. В известной мере это может быть достигнуто за счет резкого увеличения количества греющих факелов (струй), вводимых в рабо­ чий объем, что позволит приблизить значения 4 к 4.п- Это имеет

92

особый смысл в условиях скоростного нагрева (или при выравнива­ нии температуры в сечении металла), протекающего при /Mn=const.

Очевидно, температура греющих газов іг, вводимых в рабочий объем зоны печи, должна быть несколько выше температуры газов в зоне ^a.irОбычно эта разница определяется исходя из пирометри­ ческой характеристики печи, при этом температура

/г—Т]гг^т,

где т]п — пирометрический коэффициент;

U — теоретическая температура горения топлива (а = 1 ).

При более правильном выборе величины (tT—ta.n) и U нужно учитывать ряд величин. В частности, можно показать, что разность температур (tr—ta.u) при заданных расходах тепла на нагрев метал­ ла Qi и потерях в окружающую среду 2 Qi будет зависеть от коли­ чества вводимых в печь греющих газов. Для этого достаточно рас­ смотреть уравнение теплового баланса зоны:

где Qs — тепло, вносимое в зону греющими газами,; Q2 — тепло, теряемое с уходящими газами.

где Ѵг — количество греющих газов, поступающих в рабочее про­ странство зоны.

Анализ формулы (4.28) показывает, что при постоянных значе­ ниях Qi и 2 Qi с ростом Уг разность (tr—4.п) должна уменьшаться, что указывает на возможность изменения U изменением количества греющих газов.

Нужно сказать, что в существующих пламенных печах разность температур (£Г—Далі), как правило, не меняется при уменьшении величины Уг. В соответствии с коэффициентом избытка воздуха в рабочем пространстве устанавливается максимальная разность этих температур, которая в процессе нагрева зависит от ta.n Это создает большие трудности при нагреве, обеспечивающем высокую равномерность прогрева сечения, так как если температура газов, поступающих в печь, отличается от температуры газов в самом ее объеме, то по высоте и длине печи возникают значительные градиен­

93

ты температур н обусловленная этим неодинаковость интенсивности теплообмена между газами и поверхностью садки. Это особенно ярко проявляется в зоне выдержки, где требуется высокая точность и равномерность нагрева изделия.

Чтобы снизить вредное влияние разности температур (tr—ta.п) на качество нагрева садки, вводимые греющие факелы (струи), по возможности, удаляются от изделий; газы вводятся мелкими пор-

Рис. 4.3. Схемы печей с рециркуляцией газов:

/ — подвод греющих газов; 2 — инжекционное устроПство; 3 — отвод печных газов

цнями; топливо сжигается в изолированных камерах и т. д. Однако эти мероприятия лишь частично устраняют отмеченные недостатки, усложняют конструкцию и снижают производительность печей.

Наиболее радикальным и эффективным способом, устраняю­ щим эти недостатки в работе пламенных печей, является изменение (tr—ta.n) до заданной величины регулированием объема греющих газов, что достигается ведением процесса горения с повышенным коэффициентом избытка воздуха или же за счет создания внутрен­ ней рециркуляции газов (рис. 4.3). Рециркуляция газов в рабочем

объеме может быть создана за счет энергии топливо-воздушных струй, вытекающих из горелочных устройств или за счет установки специальных вентиляторов. Создать рециркуляцию газов за счет энергии топливо-воздушных струй можно инжекторами-смесителя­ ми, располагаемыми в кладке печи. В этом случае вытекающие из горелочного устройства 1 греющие газы (рис. 4.3) направляются

не в рабочий объем печи, а в инжекционное устройство, где присое­ диняются к печным газам, имеющим температуру ^а.п [39].

Как уже отмечалось, кроме создания более равномерного на­ грева, рециркуляция газов позволяет организовать правильное их движение и тем самым создать благоприятные условия для ведения наиболее рациональных режимов нагрева. Обычно в рабочий объем печи вводится не одна греющая струя, а несколько. Вводя их в опре­ деленном направлении, можно при соответствующем профиле рабо­ чего пространства обеспечить желаемое направление движения газов.

Поскольку движение газов в рабочем пространстве определяет­ ся кинетической энергией греющих струй, вытекающих из горелоч­ ных устройств, ниже рассмотрим некоторые особенности и законо­ мерности струйного движения.

94