книги из ГПНТБ / Бельский, В. И. Промышленные печи и трубы учеб. пособие

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

обжига обыкновенного глиняного кирпича. В других типах печей оно применяется сравнительно редко.

Сжигание твердого топлива

Топка для твердого топлива представляет собой камеру, фу­ терованную огнеупорным кирпичом и отделенную порогом от рабочего пространства печи (рис. 9). Топливо забрасывается в топку через загрузочное окно на колосниковую решетку, а воз-

Рис. 9. Схема методической нагревательной печи

дух для горения подается снизу под колосниковую решетку в зольник. В промышленных печах для сжигания угля применяют чаще всего топки с горизонтальной колосниковой решеткой, вы­ кладываемой из стальных брусков сечением 25X25-^50X50 мм с зазором между ними, как показано на рис. 9. Иногда вместо стальных брусков применяют чугунные колосники или чугунные плиты с продольными или круглыми отверстиями. Колосниковая решетка служит для поддержания слоя топлива при горении и равномерного распределения воздуха по всему слою топлива. Зола сгоревшего топлива проваливается в зольник и выгребает­ ся оттуда через зольниковое окно. Загрузочное и зольниковое окна закрываются во время работы печи дверками (на рисунке не показаны). Продукты горения из топки идут в рабочее про­

85

странство печи. Очень часто в зольник подается только часть воздуха, необходимого для горения топлива. При этом процесс горения завершается на решетке не полностью. В связи с недос­ татком воздуха углерод превращается в окись углерода и про­ дукты горения содержат много окиси углерода и водорода, кото­ рые дожигаются в рабочем пространстве печи при поступлении дополнительного (вторичного) воздуха, подводимого в верхнюю часть топки (как показано на рис. 9). Это делается для того, что­ бы по возможности перенести горение топлива в рабочее прост­ ранство печи с целью получить в нем более высокую температу­ ру при одновременном снижении температуры в топке. Такие топки называются полугазовыми.

Сжигание газообразного топлива

Процесс сжигания газообразного топлива протекает в две стадии: смешение горючего с воздухом и собственно горение.

При сжигании газообразного топлива основное внимание обра­ щают на смешение горючего и воздуха, что осуществляют с по­ мощью газовых горелок.

Газовые горелки можно разбить на две основные группы: го­ релки с принудительной подачей газа и воздуха и инжекционные, куда газ (реже воздух) подается под большим давлением и, вы-

£6

ходя из сопла с большой скоростью, подсасывает (инжектирует) требуемое для горения количество воздуха (или соответственно газа). В горелках с принудительной подачей газ и воздух пода­ ются под давлением 75—250 мм вод. ст., при этом воздух обычно под несколько большим давлением. В горелке низкого давления конструкции института Теплопроект (рис. 10) газ и воздух, выхо­ дя со значительной скоростью (порядка 15—30 м/сек), переме-

шиваются. Для лучшего перемешивания газ выходит из сопла под углом к движению воздуха. Окончательное смешение газа

ивоздуха и частичное сгорание смеси происходит в туннеле горелочного камня. Горелка крепится к горелочной плите. В плите

игорелочном камне предусмотрено закрываемое поворотной за­ слонкой отверстие для зажигания горелки.

Втурбулентных (завихряющих) горелках (рис. 11) газ и воздух смешиваются в самой горелке. Для лучшего перемешива­ ния воздух входит в камеру смешения через ряд продолговатых отверстий перпендикулярно движению газа, чем создается хо­ рошее завихрение его. К горелкам с принудительной подачей газа и воздуха относятся и керамические горелки, например го­ ловки мартеновских печей и горелки стекловаренных печей, опи­

87

санные в §20 и 28 (см. рис. 73—75). В инжекционных горелках газ, подаваемый под давлением 1500—10 000 мм вод. ст. (в зави­ симости от теплотворной способности газа — чем выше тепло­ творность, тем большее количество воздуха должно быть инжек­ тировано на 1 м3 газа и тем большее необходимо давление последнего), инжектирует воздух (рис. 12). Смешение газа и воз­ духа происходит в смесителе и горелке. При сжигании газа, хо­ рошо смешанного с воздухом в горелке, получается очень корот­ кий факел, размещающийся в канале горелочного камня и не выходящий в рабочее пространство печи, в связи с чем такое сжигание газа получило название б е с п л а м е н н о г о горения. Количество засасываемого воздуха регулируется размером щели между смесителем и фланцем, навинченным на сопло. При низ­ ких давлениях газ может инжектироваться воздухом, подавае­ мым под давлением 400—600 мм вод. ст. Горелки крепят к спе­ циальным плитам, установленным на каркасе.

Сжигание жидкого топлива

В качестве жидкого топлива применяют главным образом ма­ зут. Жидкое топливо сжигается в распыленном состоянии. Чем лучше распыляется мазут, т. е. чем меньше капли, тем лучше он перемешивается с воздухом и быстрее происходит его сгорание. В связи с этим при хорошем распылении сжигание жидкого топ­ лива в высокотемпературных печах часто производят непосред­ ственно в рабочем пространстве без топки. В низкотемператур­ ных печах и печах, где требуется равномерное распределение температуры в рабочем пространстве (например, термических), устраивают для полного сгорания топлива небольшие форкамеры или подподовые топки. Распыление мазута производят по­ средством форсунок.

Ф о р с у н к и можно разбить на три типа: высокого давле­ ния, в которых распыление мазута осуществляется паром или сжатым (компрессорным) воздухом; низкого давления, распыле­ ние в которых выполняют воздухом, подаваемым от вентилято­ ра, и механические. Примером первого вида форсунок служит форсунка В. Г. Шухова (рис. 13), состоящая из двух трубок: внутренней мазутной и наружной паровой (воздушной). Выход­ ное отверстие для мазута остается постоянным, а величина коль­ цевой щели для пара (сжатого воздуха) в зависимости от про­ изводительности форсунки меняется вдвиганием или выдвига­ нием внутренней трубки. Распыление мазута производится па­ ром под давлением 4—10 кгс/см2 или компрессорным воздухом под давлением 2—6 кгс/см2. Количество распылителя составляет 0,4—0,6 кг пара на 1 кг мазута или 0,5—0,8 кг воздуха на 1 кг мазута. В форсунках низкого давления распыление мазута про­ изводится подаваемым от вентилятора воздухом под давлением от 300 до 1000 мм вод. ст. в зависимости от конструкции и про-

8 8

изводительности форсунок. Мазут подается из расходного бака самотеком или под давлением до 2 кгс/см2. На рис. 14 показана форсунка низкого давления конструкции института Стальпроект. Мазут подается по внутренней трубе, а воздух — по наружной. Так как тонкость распыления мазута зависит от скорости исте­ чения воздуха, то для сохранения его необходимой скорости при изменении производительности форсунки сечение кольцевой

$

Рис. 14. Форсунка низкого давления конструкции Стальпроекта

/•« м а з у т ; 2 — воздух; 5 — корпус; 4 — мазутная трубка; 5 — вал с эксцентриком

щели, через которую выходит воздух, может изменяться путем перемещения вдоль оси форсунки внутренней мазутной трубки, осуществляемого поворотом вала с эксцентриком.

Для обеспечения более тонкого распыления мазута и лучшего перемешивания с воздухом разработано большое количество все­ возможных конструкций форсунок: имеются форсунки, в кото­ рых распыление мазута производится дважды; форсунки, в ко­ торых устроены направляющие, придающие воздуху завихряющее движение.

В форсунках низкого давления воздух для распыления пода­ ют в размере 60—100% количества, необходимого для сжигания распыленного топлива. В механических форсунках распыление происходит вследствие удара тонкой струи жидкого топлива, вы­ ходящего с большой скоростью из отверстия форсунки, об атмос­ феру, находящуюся перед отверстием форсунки. В наконечниках

89«