книги из ГПНТБ / Несенчук, А. П. Тепловые расчеты пламенных печей для нагрева и термообработки металла учеб. пособие

Издательство «Вышэіішая школа», 1974.

ВВЕДЕНИЕ

Современные печи представляют собой достаточно сложные агрегаты, служащие для нагрева и термической обработки разных материалов. Промышленное производство с его разнообразной

исложной технологией уже сегодня предъявляет исключительно серьезные требования к работе и организации температурного ре­ жима печного оборудования, в частности к составлению и ведению режима тепловой обработки. Чтобы удовлетворить требования технологического и теплового характера, приходится разра­ батывать многозонный режим нагрева, что в конечном итоге услож­ няет конструкцию печи и ее обслуживание. Сложность конструкции

иобслуживания несомненно находят отражение в вопросах эконо­

мики нагрева. Это требует четкого представления о взаимной связи технологической и теплотехнической сторон рассматриваемого во­ проса о нагреве. В итоге все сводится к выполнению детального теплового расчета, который сопряжен с проработкой отдельных вариантов и последующим выбором оптимального решения. Резуль­ таты теплового расчета позволяют оценить реальность принятого варианта процесса тепловой обработки металла в соответствии с заданной технологией, а также его экономическую эффективность.

В последние годы для выполнения сложных по своему решению, требующих основательных проработок операций теплового расчета, связанных с выбором оптимального варианта и оценкой его эконо­ мической эффективности, используется вычислительная техника. Широкое внедрение в проектно-конструкторских, научно-исследова­ тельских и учебных учреждениях получили электронные вычисли­ тельные и малые цифровые машины. Например, на малой цифровой машине типа «Промінь» с незначительной затратой времени удает­ ся составить весьма громоздкие тепловые и материальные балансы многозонных печей. При решении более сложных задач, требующих выбора оптимального варианта с оценкой экономической эффектив­ ности принятого решения, используются электронные вычислитель­ ные машины. В этом случае расчет сводится к разработке частных

5

и общего алгоритмов, разработке машинных алгоритмов, составле­ нию программ (к примеру, в автокоде «Инженер»), составлению инструкции по использованию АКИ (автокод «Инженер») и анализу решении.

Использование вычислительной техники диктуется еще и тем, что современное промышленное производство с его исключительно сложной технологией и разносторонним энергетическим хозяйством уже сегодня ставит массу вопросов, успешно решить которые можно лишь с применением вычислительной техники.

Нагрев изделий произвольной формы — сложный физический процесс. Причем характер температурного поля нагретого в печи тела определяет процесс формирования свойств при последующей обработке металла. Умение рассчитывать распределение темпера­ туры заготовки или изделия необходимо при разработке конкретного технологического процесса.

Известно, что температурное поле тела описывается дифферен­ циальным уравнением теплопроводности Фурье. Существует не­ сколько способов решения этого уравнения. Один из наиболее рас­ пространенных классических методов — метод разделения перемен­ ных. Суть такого решения состоит в том, что находится совокупность частных решений, удовлетворяющих уравнению и граничным усло­ виям, а затем по принципу наложения составляется ряд решений. Частное решение ищется в виде произведения двух функций, одна из которых зависит только от времени, а вторая — от координат. В качестве второго классического метода называется метод источни­ ков. Физическая сущность метода заключается в том, что любой процесс нагрева теплопроводностью — совокупность процессов вы­ равнивания температуры от множества элементарных источников тепла.

Однако классические методы решения для многих задач тепло­ проводности неэффективны, а решения громоздки и мало удобны для практического использования.

В последнее время стали применяться операционные методы решения (метод Хевисайда, метод операционного преобразования Лапласа). Метод Лапласа имеет ряд преимуществ перед классиче­ скими методами (процесс преобразования однотипный для разного рода задач; позволяет решать задачи при граничных условиях I, II,

IIIрода, решение облегчается наличием готовых таблиц). Однако

иэтот метод не лишен серьезных недостатков (трудно решать мно­ гомерные задачи, а также когда начальные условия задаются в виде функции координат).

Ограниченность отмеченных методов привела к созданию реше­ ний конечными интегральными преобразованиями, которые имеют особые преимущества при решении систем дифференциальных урав­ нений в частных производных. РІ все же перечисленные методы позволяют решать сравнительно узкий круг задач. Кроме того, не­ линейные задачи решить этими методами нельзя. Приходится обра­ щаться к численным методам.

6

Г л а в а 1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ТЕПЛОВОМУ РАСЧЕТУ ТЕРМИЧЕСКИХ И НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

Результаты теплового расчета промышленной печи позволяют оценить надежность и экономичность ее работы, а в ряде случаев сделать вывод о возможности реализации принятой технологии. Выполнение расчета во многом помогает выбору варианта и типа тепломеханического оборудования применительно к данной техно­ логии тепловой обработки.

1.1.ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ТЕРМИЧЕСКИХ

ИНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕИ

Начальная стадия расчета — согласование, а в ряде случаев совместный с металловедами выбор параметров температурного и теплового графиков нагрева. При этом важно принять наиболее приемлемый вариант технологического процесса, который позволяет получить высокое качество нагрева при наименьшей затрате вре­ мени и малой стоимости операций.

Главное внимание при этом должно быть уделено внедрению современных методов нагрева, термической и химико-термической обработке (нагреву заготовок в псевдоожиженном теплоносителе и расплавленном стекле, безокислительному нагреву в газовых (пламенных) печах; газовой цементации и нитроцементацин с при­ менением эндогаза и аммиака в безмуфельных агрегатах и др.).

Принимая во внимание большое значение требований техноло­ гии и подчиняя ей теплотехническуюсторону вопроса (проектиро­ вание тепломеханического оборудования, его выбор и расчет произ-

ѵводительности, выбор числа зон), оптимальный вариант мы можем найти только после детального анализа и ряда экономических сопоставлений, которые в свою очередь требуют теплотехнических расчетов. При этом экономическая сторона вопроса может быть удовлетворена либо интенсификацией и отысканием путей более рациональной организации тепловых процессов, протекающих в ра­ бочем пространстве печи, либо за счет новых прогрессивных методов нагрева и термообработки.

Изложенное выше указывает на необходимость тщательной разработки технологии нагрева и безукоризненного ее соблюдения

8

при выполнении расчетов и реализации их результатов при сооруже­ нии печей. Выбор вида топлива следует производить исходя из тре­ бований качества и соблюдения режима нагрева, с учетом местных топливных ресурсов. Твердое топливо для технологии термической обработки и нагрева стали в настоящее время не используется. Поэтому в тех районах страны, где имеются большие запасы твер­ дого топлива на предприятиях, необходимо предусмотреть станции газификации, а получаемый газ использовать для отопления печей. Что касается жидкого топлива, в частности малосернистых мазутов, то оно повсеместно и с успехом применяется для обогрева нагрева­ тельных и термических печей.

Главные же источники тепловой энергии для тепловой обработ­ ки металла — газ (искусственный и естественный) и электронагрев, причем электронагрев следует применять лишь при выполнении де­ тального технико-экономического сравнения работы печи при раз­ ном обогреве.

1.2. ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ, ПОДЛЕЖАЩИХ РЕШЕНИЮ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАСЧЕТА ПЕЧИ

При проектировании и сооружении печи необходим тепловой расчет, так как только так можно получить уточненные данные, ка­ сающиеся ее размеров, ряда технико-экономических параметров и выбора вспомогательного оборудования. В других случаях тепло­ вым расчетом работающей печи удается уточнить или определить интересующие характеристики режима, недостатки и наметить пути улучшения ее работы.

В соответствии с общепринятой классификацией тепловой рас­ чет печи может иметь конструкторский и поверочный характер.

Исходный момент в тепловом конструкторском расчете — выбор типа печи применительно к технологическому процессу. При этом учитывается заданный режим нагрева, производительность и харак­ тер производства (массовое или индивидуальное). Сделав такой выбор, рассчитывают основные размеры рабочего пространства печи, технико-экономические показатели работы и ряд других величин.

Выполняя поверочный расчет, находят недостающие характе­ ристики температурного и теплового режимов при переменном гра­ фике работы. Кроме того, как и в случае теплового конструкторского расчета, определяются все технико-экономические параметры рабо­ ты печи с учетом изменившегося режима.

При выполнении теплового конструкторского расчета термиче­ ской или нагревательной печи (методика выполнения такого расчета приводится в гл. 11) необходимо решить следующие вопросы: вы­ брать и организовать температурный режим в зонах рабочего про­ странства; рассчитать продукты сгорания топлива, действительную

выдачи заготовок из печи; уточнить основные геометрические харак-

9