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

Для расчета процессов нагрева или охлаждения в кипящем слое необходимо знать коэффициент теплообмена а с погруженными поверхностями. Величина а зависит от скорости фильтрации, опре­ деляющей частоту смены частиц у погруженной поверхности, порозности слоя, теплофизических свойств газовой и твердой фазы и т. д. Зависимость а от скорости фильтрации носит немонотонный харак­ тер. Вначале по мере развития псевдоожижения возрастает скорость движения частиц у погруженной поверхности и а увеличивается. С увеличением скорости фильтрации повышается и порозность слоя, оказывающая противоположное действие на а (с ростом е умень­ шается количество частиц, контактирующих с поверхностью за опре­ деленный период времени). При определенной скорости фильтрации влияние повышенной порозности становится преобладающим и а начинает снижаться с ростом да.

Оптимальная скорость фильтрации может быть определена из

Коэффициент теплообмена между слоем и поверхностью можно определить (для тел размером более 2—4 мм) по формуле [85]:

для восходящей части графика функции а (да)

для режима фильтрации, соответствующего атах,

где Nu — эффективный критерий Нуссельта:

Приведенные формулы позволяют рассчитать а с точностью порядка 10%.

Для режима Reопт хорошее совпадение с опытными данными дает эмпирическая формула С. С. Забродского

где а — коэффициент теплообмена между кипящим слоем и поверх­ ностью изделия;

Хг — теплопроводность газовой фазы. Остальные обозначения приводились выше.

222

Следует отметить, что приведенные соотношения для расчета не учитывают радиационной доли переноса тепла, которая стано­ вится существенной при высоких температурах и использовании сравнительно крупных частиц. Авторами работы [94] внесена по­ правка в формулу (8.33), что позволяет учесть долю лучистой со­ ставляющей теплообмена:

где &вт — поправочный коэффициент, учитывающий лучистую со­ ставляющую теплообмена; при ^<250° С и dcp^0,25 мм &вт= 1; ПРИ ^>250° С и rfCp>0,25 мм

£вт= 1 + 1 °4^ 2’5 (0,296і0’22—1). (8.35)

Коэффициент бит проверен для температур 2 5 0 ^ ^ 9 7 5 ° С и разме­ ров частиц 2,5- 10-4^öfCp ^ 14,2- ІО-4 м.

При расчете а в качестве определяющей температуры рекомен­ дуется принимать температуру поверхности теплообмена [94].

После определения температуры и состава продуктов горения топлива находятся теплофизические характеристики фаз слоя и об­ рабатываемого металла. По среднему расчетному диаметру частиц находят число Ar при температуре слоя и определяют интервал ско­ ростей (8.24), (8.25), в пределах которых существует кипящий слой, а также скорость, соответствующую атах (8.29), (8.30). По уравне­ ниям (8.31) — (8.34) определяют коэффициент теплоотдачи а и вы­ бирают скорость фильтрации.

Сжигая газ в кипящем слое с а « 1 —1,05, можно считать, что потеря тепла q3 от неполноты горения отсутствует. Потеря q3 суще­ ственная лишь в печах с неполным горением, показанных на рис. 8.24 (зона II). В этом случае целесообразно продукты неполного горения дожигать непосредственно над слоем, косвенно нагревая его, а за­ тем направлять дымовые газы в рекуператор.

В печах с кипящим слоем наиболее значительны потери с ухо­ дящими газами, температура которых равна температуре слоя. Расчетный (проектный) расход условного топлива при полном сжи­ гании газа и нагреве тонких изделий по данным [83] составляет при­ мерно 100 кг/т.

Определив скорость фильтрации, при которой обеспечивается необходимое значение а, подсчитываем расход газовой фазы.

Впечи с непосредственным сжиганием топлива в слое с продуктами горения (факелом) должно вноситься достаточное количество тепла.

Вохладительных ваннах тепло удаляется поверхностными теплооб­ менниками (например, змеевикового типа).

Зависимость интенсивности теплообмена от температуры обра­ батываемого изделия в кипящем слое в отличие от жидких сред, претерпевающих с нагревом фазовые превращения, незначительна и практически линейна. Это позволяет производить закалочное

223

охлаждение в кипящем слое более равномерно, чем в масле, и тем самым уменьшить деформации изделий при закалке. Как уже отме­ чалось, изменение интенсивности охлаждения (или нагрева) можно осуществить как за счет изменения скорости фильтрации (это воз­ можно в процессе охлаждения), так и за счет изменения размера частиц, теплопроводности и объемной теплоемкости слоя. Характер влияния этих параметров на величину а виден из расчетных соот­ ношений (8.31—8.34). Необходимо, однако, отметить, что из этих формул следует монотонная зависимость а от dCp, не наблюдающая­ ся на практике. В действительности же при dCp < 40 —70 мкм рост а прекращается в связи с присущей мелким частицам способностью агрегировать и слипаться, а также в связи с растущей порозностыо пылевидных частиц. Кроме того, при расчете теплообмена с дета­ лями сложной формы, змеевиками и т. д. следует вводить коэффи­ циент, обусловленный рядом неучтенных факторов, равный при­ мерно 0,7.

Гидравлическое сопротивление псевдоожиженного слоя равно произведению его высоты на насыпную плотность:

Высота неподвижной засыпки должна превышать высоту погру­ женных изделий примерно на 50—70 мм. На таком же расстоянии от газораспределительной решетки должен находиться нижний край изделий. Сопротивление решетки в отличие от сопротивления кипя­ щего слоя зависит от скорости фильтрации. Чтобы обеспечить хоро­ шее газораспределение, перепад давления на решетке на рабочем режиме фильтрации должен быть соизмерим с перепадом давления в кипящем слое.

Распределение температуры по объему слоя определяется ин­ тенсивностью перемешивания твердой фазы, имеющей на три поряд­ ка более высокую теплоемкость, чем газовая фаза. Перемешивание частиц характеризуется коэффициентом эффективной температуро­ проводности, связанным с коэффициентом эффективной теплопро­ водности зависимостью

______ ^эф

^Эф / I \ і

СчРч(1 е)

где сч — теплоемкость частиц.

Величина а3ф пропорциональна скорости частиц и контуру цир­ куляции. С увеличением размера аппарата аЭф растет. Значения аЭф в кипящем слое сравнительно велики: даже для заторможенного вертикальными перегородками слоя аэф в горизонтальном направле­ нии имеет порядок 0,013—0,27 мг/ч, что соответствует коэффициен­ там эффективной теплопроводности примерно 20—200 вт/м° К [93, 95] (величины аЭфи ЯЭф в вертикальном направлении в несколько раз выше).

Как уже отмечалось, при обработке в кипящем слое деталей, имеющих горизонтальные участки поверхности, на них оседают за­

224

экранированные от восходящего потока газа частицы и препятству­ ют отбору тепла. Снижение интенсивности теплообмена особенно опасно при закалке, так как это может привести к браку. В послед­ нее время предприняты попытки применить для закалки вибропсев­ доожиженный слой. Вибропсевдоожижеиный слой можно получить, если засыпку дисперсного материала поместить в вибрирующий со­ суд. При ходе сосуда вниз слой отрывается от днища и под слой поступает газ из окружающей атмосферы. При обратном ходе со-

Рис. 8.25. Схема установки для охла­ ждения (закалки) в вибропсевдоожиженном слое:

/ — ванна; 2 — амортизаторы: 3 — деба­ лансы

суда воздух фильтруется через слой. Затем происходит соударение слоя с днищем. В результате материал слоя переходит в псевдоожи­ женное состояние без специальной подачи газа под слой. Такой метод псевдоожижения целесообразен в процессах химико-термиче­ ской обработки в контролируемых атмосферах, так как не требует расхода дорогостоящих защитных атмосфер. Установлено, что в вибропсевдоожиженном слое в отличие от кипящего ориентация плос­ кой поверхности (опыты проводились с плоскостью 40X60 мм) не влияет на интенсивность теплообмена [96].

Упрощенная схема одной из установок для охлаждения в вибропсевдоожиженном слое приведена на рис. 8.25. Установка состоит из водоохлаждаемой ванны, заполненной дисперсным материалом, которая опирается на амортизаторы. Снизу к ванне подвешены два вибратора или два вала с одинаковыми неуравновешенными гру­ зами (дебалансами), вращающимися в разные стороны с одинако­ вой скоростью. При вращении дебалансов на ванну действует вер­ тикальная сила, изменяющаяся по гармоническому закону и при­ водящая ванну с засыпкой в колебательное движение. При вибро­ псевдоожижении материал слоя бурно и хаотично перемешивается. Причем при соблюдении условия

слой не препятствует погружению в него металлических предметов. Выражение (8.37) справедливо для амплитуд колебаний 1 ,З ^ Л ^ ^ 6 мм и частот 1 3 ^ п ^ 3 2 гц. При меньшей интенсивности коле­ баний слой разрыхлен недостаточно.

Погруженное в вибропсевдоожиженный слой тело омывается частицами, которые переносят тепло между поверхностями охлаж­ дения и обрабатываемых изделий. С увеличением интенсивности вибрации коэффициент теплообмена слоя с поверхностью возрастает лишь до определенного предела. Максимум а наступает при усло­ вии [97]

Эксперименты показывают, что в вибропсевдоол<иженном слое имеют место контуры циркуляции частиц (вихри). Теплообмен слоя с поверхностью зависит от интенсивности смены частиц и состоит в прогреве или охлаждении непрерывно сменяющихся групп частиц, заключенных в вихрях. Они существуют некоторое время, затем рас­ падаются. Составляющие их частицы включаются в другие пакеты, разнося тепло по объему слоя. Вибропсевдоожилсенный слой более однороден, чем кипящий. Расширение слоя осуществляется в основ­ ном за счет увеличения порозности пакетов. Контактирующая по­ верхность пакета при соприкосновении принимает температуру поверхности погруженного тела. За время экспозиции температура в глубине пакета остается равной температуре ядра слоя. В этом случае пакет можно рассматривать как полуограииченное тело, пе­ ренос тепла внутри которого происходит эффективной теплопровод­ ностью 1п. Для описания процесса переноса тепла в пакете можно воспользоваться уравнением Фурье:

dft д2$

(8.40)

дх Яп дх2

Заменяя х безразмерной координатой X = x / d cp, переписываем

Рассматривая прогрев пакета при заданной температуре его поверхности, можем воспользоваться решением [50] уравнения (8.40):

226