Файл: Бельский, В. И. Промышленные печи и трубы учеб. пособие.pdf

времени, т. е. температурное поле является функцией только ко­ ординат, то теплопередача называется установившейся и по­ ток— стационарным. Если температура в каждой точке тела из­ меняется во времени, то такое тепловое состояние называется нестационарным. Количество тепла, протекающее в продолже­ ние 1 ч при стационарном потоке через сечение F м2, составляет

Тепловой поток через стену численно равен разности температур поверхностей стены, деленной на термическое сопротивление этой стены.

Пример. Определить количество тепла, проходящего в 1 ч через 1 м2 плоской стенки толщиной S = 345 мм, выложенной из шамотного кирпича.

ккал/м2-ч ,

Если плоская стенка состоит из нескольких слоев толщиной Sb S2, S3, ...,Sn с коэффициентами теплопроводности Яі, Яг..., Яп и

где —— количество тепла, проходящего в течение 1 ч через 1 м2

F

поверхности.

Определение количества тепла, передаваемого теплопро­ водностью при нестационарном потоке, очень сложно и в данном пособии не рассматривается.

80

Передача тепла конвекцией

Передача тепла конвекцией заключается в переносе тепла пу­ тем перемещения самих частиц газа или жидкости, что сопро­ вождается также теплопроводностью, т. е. передачей тепла от од­ ной частицы к другой — соседней. Тепло передается конвекцией от жидкостей и газов к твердым телам, и наоборот. При этом ча­ стицы газа или жидкости, соприкасающиеся с твердой поверх­ ностью, отдают ей свое тепло (или нагреваются от нее). После теплообмена подвижные частицы удаляются, а на их место при­ ходят новые. Количество тепла, передаваемое путем конвекции за единицу времени, определяется по формуле

при разности температур в 1° и зависит от характера потока га­ за (ламинарного или турбулентного), скорости его движения, расположения и формы поверхности нагрева и физических свойств среды. Коэффициент теплоотдачи конвекцией больше при турбулентном движении и больших скоростях потока газа, так как при этом в единицу времени большее количество частиц газа будет соприкасаться с нагреваемой поверхностью. Коэффи­ циент теплоотдачи увеличивается также при шероховатой по­ верхности и форме, способствующей завихрению потока газа.

Значения коэффициента теплоотдачи конвекцией определя­ ются для различных случаев экспериментальным путем. Для га­ зов при естественной конвекции коэффициент теплоотдачи ле­ жит в пределах б—35 Вт/ (м2-град) [5—30 ккал/ (м2-ч-град)], а

при турбулентном движении в трубах или между ними—12— 115 Вт) {м2 ■град) [10—100 ккал/(м2-ч-град)].

Передача тепла излучением

Излучением тепло передается одним телом другому путем лу­ чистой энергии без посредства материальной среды. Количество энергии, излучаемой телом, зависит от его температуры: чем вы­ ше температура тела, тем большее количество лучистой энергии оно выделяет. По закону Стефана — Больцмана количество теп­ ла, передаваемого излучением от одного тела другому, пропор­ ционально разности четвертых степеней температур тел:

ность в ж2; Т 1и Т 2— абсолютные температуры лучеиспускающей или лу-

чевоспринимающей поверхностей в °К- Тело, которое поглощает все падающие на его поверхность

лучи, не отражая и не пропуская их сквозь себя, называется аб­ солютно черным. Коэффициент лучеиспускания абсолютно чер­

ента лучеиспускания абсолютно черного тела Cs. Отношение лу­ чеиспускания данного тела к лучеиспусканию абсолютно черного тела называется относительной лучеиспускательной способно­ стью, или степенью черноты 2

С

Е

Cs '

Коэффициент излучения С для большинства твердых тел лежит в пределах 3,5—5,3 Вт/(м2-° К4) [3—4,6 ккал/(м2-ч-°К4)]- Ко­ эффициент излучения газов зависит от их состава, толщины слоя и температуры. Практически в дымовых газах лучеиспускатель­ ной способностью обладают только С 02 и Н20; чем больше со­ держание их в газе и чем больше толщина газового слоя и его температура, тем больше коэффициент излучения. Значительно увеличивает лучеиспускание слоя наличие в нем светящихся рас­ каленных частиц сажи (светящееся углеводородное пламя).

Тепловая работа печи

Теплопередача в печах происходит одновременно конвекцией и лучеиспусканием. Продукты горения топлива, проходя рабочее пространство печи, отдают свое тепло конвекцией и лучеиспуска­ нием как нагреваемому материалу, так и кладке рабочего про­ странства. Нагретая кладка в свою очередь излучает тепло на нагреваемый материал. Из формул (44) и (45) видно, что тепло­ передача конвекцией зависит от разности температур в первой степени, а теплопередача лучеиспусканием — от разности темпе­ ратур в четвертой степени. Следовательно, при высоких темпе­ ратурах основное значение при передаче тепла имеет теплопере­ дача излучением. При температуре в печи ниже 800—900° С пере­ дача тепла происходит в основном за счет конвекции, а выше

82

этих температур — за счет излучения. Общий коэффициент теп­ лопередачи металлу в нагревательных печах колеблется в зави­ симости от температуры от 58 до 520 Вт/ (м2-град) [от 50 до 450 (ккал/м2 -ч-град)]. Для определения общего коэффициента теплопередачи к металлу немецкий ученый Шак дает прибли­ женную формулу

где t — температура печи в °С.

§ 9. НАГРЕВ МЕТАЛЛА

Металл нагревается в печах для улучшения его пластических свойств перед обработкой давлением — прокаткой, ковкой или штамповкой, а также при термической обработке. От правильно­ го режима нагрева металла зависит качество получаемых из него изделий: их структура, внешний вид и механические свойства.

Тепло, воспринимаемое поверхностью нагреваемого металла, передается от наружных слоев к внутренним за счет теплопро­ водности. При очень быстром нагреве тепло не успевает распро­ страниться с поверхности внутрь металла. В связи с этим возни­ кает большая разность в температурах наружных и внутренних слоев, и температурное расширение внутренних слоев отстает от расширения наружных слоев. Поэтому между наружными и внутренними слоями создаются так называемые температурные напряжения. Они тем больше, чем больше разница температур в различных частях нагреваемого металла. При большой разно­ сти температур эти напряжения возрастают до такой величины, что в металле могут появиться трещины. Поэтому металл необ­ ходимо нагревать равномерно с определенной скоростью. Осо­ бенно это относится к интервалу температур до 750—800° С. По достижении температур порядка 800° С сталь приобретает доста­ точные пластические свойства и ее можно нагревать с любой ско­ ростью, не опасаясь образования трещин. Скорость нагрева за­ дается обычно технологами в минутах на 1 см толщины заготов­ ки или слитка. Для обычных сталей она лежит в пределах 5— 9 м/сек. С большей скоростью можно нагревать сталь толщи­ ной до 50—80 мм и заготовки из малоуглеродистой стали, в ко­ торых при быстром нагреве больших напряжений не возникает, во-первых, в связи с небольшой толщиной, и, во-вторых, благода­ ря большой теплопроводности.

Для качественного нагрева стали имеет значение также и температура нагрева. При нагреве больше определенной темпе­ ратуры зерна стали начинают быстро расти, что может понизить ее качество. Помимо этого при сильном перегреве сталь стано­ вится не только крупнозернистой, но и значительно обезуглеро­ живается. При обработке такая крупнозернистая обезуглерожен-

ная сталь дает трещины, а при сильном перегреве (пережоге) мо­ жет даже развалиться на куски. Поэтому каждый сорт стали следует нагревать не только с определенной скоростью, но и до определенной температуры.

В продуктах горения содержится свободный кислород, водя­ ные пары и углекислота, которые при высокой температуре, сое­ диняясь с железом, окисляют его и на поверхности нагреваемого металла появляется слой окисленного железа — окалина, кото­ рая при дальнейшей обработке заготовки отпадает, что ведет к потере металла — угару. Толщина слоя окалины зависит от про­ должительности пребывания металла в зонах печи с высокими температурами. Окисление начинается при температуре 600— 700° С, однако значительных величин достигает при более высо­

больше будет его угар, а следовательно, и потеря. Помимо поте­ ри металла окалина ухудшает вид наружной поверхности изде­ лий — после удаления окалины поверхность получается не глад­ кой, а шероховатой.

При нагреве стали происходит также обезуглероживание по­ верхностного слоя слитков или заготовок, так как углерод, со­ держащийся в стали, соединяется с кислородом продуктов горе­ ния и выгорает. Обезуглероживание снижает качество металла. Как на окисление, так и на обезуглероживание металла оказыва­ ет большое влияние состав продуктов горения — атмосфера в печи. Для уменьшения потерь металла с угаром и получения из­ делий с гладкой, неокисленной поверхностью применяют специ­ альные печи, в которых создается нейтральная атмосфера, или печи безокислительного нагрева. Конструкция печей описана в главе VI.

ГЛАВА IV

КОСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПЕЧЕЙ И ОБОРУДОВАНИЕ

Промышленные печи имеют устройства для сжигания топли­ ва, рабочее пространство, где происходит нагрев, сушка, обжиг или плавление материалов, дутьевые и тяговые устройства, обе­ спечивающие подачу воздуха и эвакуацию продуктов горения из рабочего пространства. Многие печи оборудуют устройствами для подогрева воздуха и газообразного топлива, а также меха­ низмами для загрузки и выгрузки материалов из печи и продви­ жения материалов по рабочему пространству печи.

§10. ТОПЛИВОСЖИГАЮ Щ ИЕ УСТРОЙСТВА

Вкачестве топлива в промышленных печах применяется пре­ имущественно газообразное и жидкое топливо. Твердое топливо используется главным образом в шахтных печах и в печах для

84