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

в камеру нагрева (9,55 н м 3 / ч ) , через второй — половина газов, подаваемых в ка­

Расчет потерь тепла через кладку печи (здесь не приводится) показывает, что они в зоне нагрева составляют 15000 в т . При подсчете суммарных затрат тепла в зоне нагрева вводим коэффициент неучтенных потерь. Он может быть принят равным 1,15 (учитывает потери тепла излучением и конвекцией в тамбуре при открывании дверок, тепловой эффект структурных превращений при нагреве ме­ талла, потерю с водой, охлаждающей вентиляторы). Тогда расход тепла в зоне нагрева

2 <3і= (117000+7100+15000) 1,15= 160000 в т (137800 к к а л / ч ) .

Аналогичным образом подсчитываются расходы тепла в остальных зонах печи. При этом учитывается, что в отличие от зоны нагрева температура радиа­ ционных труб и внутренней поверхности футеровки в зоне первой стадии цемен­ тации равна температуре металла (930° С), а в зоне подстуживания — 885° С.

Выполняем расчет радиационных труб. Исходя из определенного ранее теплонапряжения поверхности труб =30300 в т / м 2, определяем их поверхность в зоне нагрева:

Количество труб в зоне нагрева

5,3

п= ------=5,2 трубы.

1,02

Принимаем к установке в зоне нагрева 6 труб (12 ветвей), по три снизу и сверху.

Энтальпия воздуха на выходе из рекуператора (при /=350°С и а=1,15)> составляет 4600 к д ж / н м 3 газа. Принимаем температуру уходящих газов на выходе

213-

из трубы (перед входом в рекуператор) 1100° С (на 100° С выше, чем температура трубы). В этом случае энтальпия продуктов горения составит 19800 к д ж / н м 3газа

(4750 к к а л / н м 3 ) .

Коэффициент использования топлива в радиационной трубе

Qup + Q n Qr.yx

35600+4600-19800

= 0,575.

35600

Для зоны нагрева печи рассчитываем расход природного газа:

или

5і = 28,2 н м 3 / ч .

Расход природного газа в одной трубе

28,2

6= ------=4,7 н м 3 / ч . 6

Определяем скорость дымовых газов в радиационной трубе:

Как видно, в трубе имеет место переходный режим движения.

В литературе отсутствуют надежные соотношения для расчета а при пере­ ходном режиме течения в радиационной трубе. Сопоставляя расчетную плотность теплового потока (30,3 к в т / м 2) с достигаемой на практике (20—40 к в т / м 2), видим, ■что интенсивность теплообмена в трубе обеспечивает необходимый подвод тепла.

Определяем значение а, которое обеспечит подвод необходимого количества тепла. Плотность теплового потока в зоне с шестью трубами

214

Коэффициент теплоотдачи к внутренней поверхности трубы

Дальнейший расчет печи заключается в определении количества радиацион­ ных труб и расхода топлива в остальных зонах, расчете горелок, рекуператоров, эжекторов для удаления дымовых газов из труб, воздушных и газовых линий,, вентиляторов и т. д.

8.4. ПРИМЕНЕНИЕ ПСЕВДООЖИЖЕННЫХ СИСТЕМ В ПРОЦЕССАХ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Несмотря на ряд преимуществ, процессы химико-термической обработки в газовой среде отличаются сравнительно невысокой ин­ тенсивностью. Более интенсивно протекают процессы переноса теп­ ла при химико-термической обработке в жидких средах — распла­ вах солей или металлов. Но такие процессы трудоемки, дорогостоя­ щи и связаны с повышенной опасностью при обслуживании.

При использовании жидких сред для химико-термической обработки необходимо мыть и очищать детали после окончания процесса. Следует отметить, что в жидких средах практически не­ возможно изменять или регулировать скорость процесса нагрева илі-г охлаждения (каждой среде присуща своя определенная скорость).

Для . химико-термической обработки необходимы среды, кото­ рые, будучи нейтральными или способными насыщать поверхност­ ный слой, обеспечивали бы высокую интенсивность, управляемость процесса, точность и безопасность, а также сохраняли свои свой­ ства при длительной эксплуатации.

Указанными качествами обладает двухфазная перемешиваемая система газ — твердые частицы. Из разновидностей этой системы в практике термической и химико-термической обработки получили распространение две: псевдоожиженный газом (кипящий) [82]—[84], [85], [86]—[90] и вибропсевдоожиженный [83], [91] и [92] слой дис­ персного материала.

Метод'псевдоожижения в последнее время используется также в генераторах защитных атмосфер для интенсификации процессов, переноса тепла.

Кипящий (псевдоожиженный газом) слой образуется при про­ дувании засыпки зернистого материала, опирающейся на газорас­ пределительную решетку, восходящим потоком газа или жидкости *. При относительно низких скоростях газового потока слой материаланеподвижен и сопротивление фильтрации возрастает пропорцио­ нально скорости газа. Когда гидродинамическое сопротивление слоя становится равным его весу, приходящемуся на единицу площади:

* Псевдоожижение капельной жидкостью рассматривать не будем, так как оно не применяется в процессах химико-термической обработки.

215.

решетки, наступает состояние псевдоожижения. Высота слоя воз­ растает, частицы под действием потока газа начинают перемеши­ ваться. Для расчета скорости начала псевдоожижения можно реко­ мендовать уравнение [93]

где Re и Аг — соответственно критерий Рейнольдса и Архимеда, отнесенные к размеру частиц слоя:

шКр — критическая скорость начала псевдоожижения *; V — вязкость газа при температуре потока;

g — ускорение силы тяжести;

рч, Рг — соответственно плотность твердой и газовой фазы слоя;

dC\>— средний диаметр частиц.

При дальнейшем повышении скорости фильтрации сопротивле­ ние слоя не увеличивается. Происходит лишь его расширение, ин­ тенсифицируется перемешивание, возрастает скорость движения частиц. Внешне псевдоожиженный слой напоминает жидкость: он «вытекает» через отверстие в стенке сосуда, не препятствует погру­ жению плотных предметов, сохраняет горизонтальный уровень и т. д. При определенной скорости потока частицы начинают уноситься из слоя и наступает режим пневмотранспорта. Унос начинается при •скорости фильтрации, превышающей скорость свободного витания частиц слоя. Скорость свободного витания приближенно можно •определить из соотношения [93]

KJ\ \ \ d cp

Rsyn—

V

тде Wyu — скорость свободного витания.

Соотношение (8.25) соответствует пределу существования псев­ доожиженного состояния.

Формулы (8.24) и (8.25) получены в предположении, что псевдо- •ожижаются сферические частицы. Для частиц, имеющих другую ■форму, подсчитанные по этим соотношениям значения Re следует умножать на коэффициент формы

* Здесь и далее подразумевается скорость, отнесенная к полному сечению

.камеры печи пли ванны.

516

Рч

Величина ео для большинства применяемых в практике термо­ обработки зернистых материалов (песок, корунд и др.) лежит в пре­ делах 0,38—0,46. И лишь для самых мелких частиц (примерно мель­ че 80 мкм) ео возрастает с уменьшением диаметра вследствие более рыхлой укладки. В выражении (8.26) через риас обозначена насып­ ная плотность дисперсного материала. Порозность псевдоожижен­ ного слоя является функцией величин Re и Аг и может быть опре­ делена по формуле [93]

/ 18Re+0,36Re2 \ 0’21

(8.27)

По найденной порозности расширенного слоя е можно рассчи­ тать его высоту Я (в аппарате постоянного сечения):

где Но — высота слоя в неподвижном состоянии.

Оптимальный режим псевдоожижения, характеризуемый интен­ сивным перемешиванием частиц, наступает при скоростях, значи­ тельно превышающих шіф (примерно, в интервале 3 < № < 8). Чем

меньше частицы, тем больше оптимальное число псевдоожижения. При псевдоожижении газом в оптимальном режиме слой не бывает однородным: даже визуально, через прозрачную стенку можно раз­ личить газовые пузыри, барботирующие сквозь засыпку. В теории псевдоожижения широкое распространение получила так называе­ мая двухфазная модель. Согласно представлениям этой модели, через сплошную фазу слоя проходит лишь часть поступающего под решетку газа (соответствующая критической скорости шкр). Избы­ точный сверх этого количества газ прорывается в виде пузырей.

Как уже отмечалось, в качестве дисперсных материалов в аппа­ ратах для химико-термической обработки в кипящем слое приме­ няют песок, корунд, карборунд, шамот, магнезит и другие огнеупор­ ные зернистые материалы с размером зерен от 50 мкм до 1— 1,5 мм.

* Порозность слоя в неподвижном неутрамбованном состоянии.

217