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

Т а б л . 4 . 3 . Пирометрический коэффициент [9J

Применительно к типу нагревательного устройства и виду топ­ лива используем одну из приведенных на рис. 4.1—4.10 і—^-диа­ грамм. Принимая максимально возможную температуру подогрева

Рис. 4.3. Диаграмма і— для водяного газа (антрацит марки АК) с теплотворной способностью

Q„p = 2435 ккал/нм3.

воздуха, находим теоретическую температуру tm (при данном коэф­ фициенте избытка воздуха а). Затем из табл. 4.3 выбираем пиро­ метрический коэффициент т)п- Произведение tm и т)п дает нам зна­ чение Ігг-

41

При этом если окажется, что соотношение tri ^ t nMi-\-At удовле­ творяется, то ограничиваемся лишь подогревом воздуха. В отдель­ ных случаях (температура подогрева воздуха порядка 600—700° С) целесообразно несколько снизить температуру подогрева воздуха и ввести подогрев топлива до 150—250° С.

Рис. 4.4. Диаграмма і—tm для коксодоменного газа (<2ир= 3000 ккал/нм3).

При сжигании низкокалорийного топлива расчет несколько усложняется. В этом случае температуру подогрева воздуха tB" и топлива t-т" находят по уравнению, записанному для і-й зоны,

где 2 Qi — общее количество тепла, вносимого в рассматриваемую зону (камеру) печи:

В этом уравнении температура газов tr{ неизвестна. Однако если принять в качестве расчетного оптимальное ее значение

то теплосодержание продуктов сгорания находится из соотношения, содержащего в качестве неизвестной лишь 2 Q<:

где Ср/ — объемная изобарная теплоемкость компонентов дымовых

газов при заданной температуре /м*+Д/, ккал/нм3-0С I (кдж/нм3-0К) ■

42

Приняв в качестве исходной температуру подогрева топлива 150—300° С, находим количество тепла, поступающего в зону печи с топливом. Затем из уравнения (4.3) определяем температуру, до которой требуется подогреть воздух. Может оказаться, что расчет­ ная температура подогрева воздуха будет выше максимально до-

пустимой. В этом случае придется несколько снизить оптимальную избыточную температуру газов At.

Ниже рассмотрим численные примеры.

4.2.1. Определить действительную температуру продуктов сгорания Uі в св рочной зоне методической нагревательной печи. Температура заготовок, нагревае-

доменный газ с теплотворной способностью Qup= 977 ккал/нм3.

Так как в данном случае топливо низкокалорийное, то предполагается на­ гревать воздух и топливо. Температуры подогрева вначале принимаем ориентиро­ вочно. Задаемся значениями /В'' = 600°С и /Т"=400°С . Коэффициент избытка воздуха а составляет 1,05.

Для сварочной зоны как оптимальное выбираем значение Ді=100°С (§ 2.2).

43

Такую задачу решаем исходя из условия, что действительная температура продуктов сгорания должна быть такой:

tv z = t* ,+ A t= 1210+100= 1310° С (Г,-2= 1583° К).

Количество тепла, поступающего в сварочную зону, найдем из выражения (4.3). Чтобы рассчитать количество тепла, поступающего с топливом, записываем его состав:

Кео., = 0,102; Усо =0,301; Ун. = 0,022; Ук , = 0,551; Уи.о =0,023 нм3/нм3.

Средние объемные теплоемкости указанных составляющих (в пределах температур от 0 до 400° С) находим из табл. 4.2:

=(0,102 • 0,4609+0,301 • 0,3174+0,551 • 0,3154+0,022 ■0,311+0,023 • 0,3729) 400=

=135 ккал/нм3 (565 кдж/нм3).

Физическое тепло воздуха

Общее количество тепла, вносимого в зону,

J £ Q cb= 977+135+159=1271 ккал/нм3 (5320 кдж/нм3) .

Действительную температуру дымовых газов в сварочной зоне можем найти, используя выражение

44

или

1

' -2 JQ od=(V ,cos cp,co + Viiso Ср'н^+Ѵ о2с / 0і + V n 2c/ nJ ( ^ , 2+A/) — .

Полагая r|u = 0,7 и предварительно принимая

£Qcn = (0,415 • 0,5469+0,05 • 0,4306+0,08 • 0,3608+1,187 • 0,3417) /г2------,

или, решая относительно искомой температуры /г2, получаем

1271-0,7

Г2— 0,415-0,5469+0,05-0,4306+0,08-0,3608+1,187-0,3417 _ = 1315° С ( 7 ,-2 = 1588° К).

Итак, действительная температура, развивающаяся в сварочной зоне печи,

П

определена и составляет 1315° С. Как видно, условие /і-г^/мг+Д / удовлетворяется. 4.2.2. Для условий предыдущего примера найти температуру подогрева в

духа и топлива. Температурный напор в зоне принять равным 50° С.

Вопрос о целесообразности подогрева газа решен в предыдущем примере, причем подогрев топлива следует вести до максимально возможной температуры. Предварительно принимаем /Т"=400°С .

Всоответствии с температурным напором находим температуру печных газов

взоне:

/Г2 = 1210+50= 1260°С (Тг2= 1533° К).

Для доменного газа из табл. 3.1 находим объемы продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха а=1,05:

Теплосодержание продуктов сгорания в сварочной зоне составит

^Qc„= (0,415• 0,5469+0,05 • 0,4306+0,08 ■0,3608+1,187 • 0.3417) 1260 ■0,7-1=

=1230 ккал/нм3 (5150 кдж/нм3). ’

45

Чтобы найти теплоемкость, предварительно зададимся температурой t„". Выбрав таким образом теплоемкость с'ри и подставив ее в последнее выражение, определим величину tB". Затем по найденной температуре еще раз выбираем теплоемкость и пересчитываем tB". Эту операцию придется проделать несколько раз до тех пор, пока разница между значениями tв" не будет меньшей пли рав­ ной 3%. Предварительно принимаем /в"= 600 оС. Тогда

4.3.РАСЧЕТ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ

ВСВАРОЧНОЙ ЗОНЕ ПЕЧИ БЕЗОКИСЛИТЕЛЬНОГО НАГРЕВА

Изложенный в § 4.2 метод определения действительной темпе­ ратуры продуктов сгорания в зоне пригоден только для случаев, когда коэффициент избытка воздуха равен или больше единицы и рабочее пространство заполнено естественной атмосферой.

При безокислительном нагреве стали в открытом пламени тем­ пературу продуктов сгорания в зоне неполного горения топлива находят иным способом. Как известно, сгорание топлива в такой печи происходит при коэффициенте избытка воздуха а < 1 . Ввиду неполного сгорания топлива тепловыделение в зоне уменьшается. И только подогрев компонентов рабочей смеси до поступления в печь позволяет достичь необходимого уровня температуры продук­ тов сгорания. Теплотворная же способность топлива при этом ис­ пользуется на 30—60%.

Обычно температуру подогрева воздуха для печей безокислительного нагрева принимают равной 550—700° С, а подогрев топлива ведут до 200—400° С. Метод расчета действительной температуры

46

47

в зоне заключается в определении максимальной температуры печ­ ных газов и поправки на подогрев топлива. Последовательность расчета такова.

Для заданного вида топлива (при известном коэффициенте из­ бытка воздуха и заданной температуре его подогрева) по диаграм­ мам (рис. 4.11—4.14) находим температуру /„/, которая разовьется

Рис. 4.15. Поправка на подогрев топ­ лива:

в зоне неполного горения. Поправку на подогрев топлива Atm опре­ деляем по графикам (рис. 4.15). Эти графики составлены для раз­ личных топлив, а также разных коэффициентов избытка воздуха и температуры подогрева. Окончательно максимально возможная температура представляется в виде суммы:

0 С.

Если известно tm, действительная температура продуктов сго­ рания

lr2==trnT\ni

где -Цп — пирометрический коэффициент (табл. 4.3).

4.3.1.Определить действительную температуру дымовых газов, образующ

всварочной зоне печи безокислительного нагрева стали. Нагреву подвергаются

заготовки из стали 30 под штамповку. Температура заготовки /° 2= 1230° С. В качестве топлива используется природный газ с теплотворной способностью

Qnp= 8350 ккал/нм3.

Температурный напор между газами и поверхностью металла в конце нагрева принимаем равным 70° С.

48

Для природного газа (Q „ p = 8350 ккал/нм3) и температуры в печи порядка 1250—1300° С коэффициент избытка воздуха можно принять равным 0,55 (см. при­ мер 3.3.1).

Так как коэффициент избытка воздуха а невелик, воздух подогревается до температуры /„" = 700 и топливо до /Т"=200°С .

Температура дымовых газов в сварочной зоне печи

/,.,= 1230+70= 1300° С (Т?2= 1573° К ).

Таким образом, максимально возможная температура в сварочной зоне

/,„ = 1820+35= 1855° С (7+ =2128° К ).

Пирометрический коэффициент для этого типа печи может быть принят рав­ ным 0,7 (табл. 4.3). Тогда действительная температура продуктов сгорания

/г2= 1855-0,7= 1299° С (Тг2= 1572° К). _

Как видно, действительная температура в печи практически соответствует

/г2=1300°С.

4 Зак. 581

Г л а в а 5. ТЕПЛООБМЕН В ЗОНАХ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА ПЕЧИ

В главе рассматриваются наиболее простые случаи лучистого теплообмена в системе кладка — греющие газы — металл. Конвек­ тивная составляющая теплового потока к поверхности металла оценивается либо в процентном отношении к его лучистой состав­ ляющей, либо рассчитывается по общеизвестным критериальным уравнениям.

5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Теплообмен между поверхностью заготовки (изделия) и движу­ щимися газами в ограниченном рабочем пространстве печи — слож­ ный физический процесс. Интенсивность и равномерность нагрева отдельных элементов изделия определяются многими факторами: температурой дымовых газов, направлением и скоростью движения газов, размерами и конфигурацией рабочего пространства печи, расположением изделий в печи и т. д. Процесс осложняется еще и тем, что температурное поле в рабочем пространстве печи неодно­ родно.

При выполнении теплотехнических расчетов вв,одят некоторые упрощения в схему рассматриваемого явления: температурное поле печных газов принимается однородным и стационарным, плотность потока тепла для всех излучающих поверхностей обмуровки и ме­ талла — равномерной, излучающая способность газов на всех уча­ стках объема рабочего пространства печи — одинаковой.

В высокотемпературных нагревательных печах количество теп­ ла, передаваемого заготовке (изделию) конвекцией, составляет при­ мерно 5—10% общего количества тепла. Поэтому, чтобы упростить расчеты, конвективной составляющей иногда пренебрегают и тепло­ вой поток оценивают по лучистой составляющей.

Для термических печей с естественным, а тем более принуди­ тельным движением газов такое упрощение недопустимо. В этом случае нужно раздельно определять количество тепла, передавае­ мого металлу излучением и соприкосновением. Примерный коэффи­ циент теплоотдачи а (эффективное значение) дан в табл. 5.1.

50