Теплообмен в заготовительных производствах

Лекции по дисциплине Теплообмен в заготовительных производствах Лекция 1. Основные понятия и определения. Способы решения задач комплекс­ного теплообмена. Понятие о процессе теплопередачи, коэффициент теп­лопередачи. Теплопередача через стенки простой геометрической формы (плоскую, цилиндрическую, шаровую). Передача тепла через газовые и жидкостные прослойки. Сложным теплообменом называют процессы переноса теплоты одновременно несколькими способами. Например, процессы конвективного теплопереноса всегда связаны с теплопроводностью внутри перемещающихся значительных (молярных) элементов потока вещества. Радиационный теплообмен может сочетаться как с теплопроводностью, так и конвекцией. (Примеры) Теплоотдачей называется процесс теплообмена (теплопереноса) между средами, разделенными отчетливой границей (твердая стенка - текучая среда, поверхность раздела газ - жидкость). Для практических расчетов стационарных процессов теплообмена для описания этого процесса можно воспользоваться уравнением Ньютона-Рихмана Q =α. (tc - tж). F.τ Теплопередачей называется процесс теплообмена между средами, разделенными некоторой перегородкой, например стенкой. Уравнение теплопередачи имеет вид Q = k (tc - tж). F. τ где α - коэффициент теплоотдачи (Вт/(м2К) , k - коэффициент теплопередачи. τ - время (с), F - площадь теплоотдающей поверхности (м2) Передача тепла от одной подвижной среды (жидкости или газа) к другой через разделяющую их однородную или многослойную твердую стенку любой формы называется теплопередачей. Теплопередача включает в себя теплоотдачу от более горячей жидкости к стенке, теплопроводность в стенке, теплоотдачу от стенки к более холодной подвижной среде. Рассмотрим теплопередачу через однородную или многослойные плоские стенки. Пусть плоская однородная стенка имеет толщину . Заданный коэффициент теплопроводности стенки , температуры окружающей среды и , и также коэффициенты теплоотдачи 1 и 2 будем считать, что величины и , 1 и 2 постоянны и не изменяются вдоль поверхности. Это позволяет рассматривать изменение температуры жидкостей и стенки только в направлении, перпендикулярном плоскости стенки. При заданных условиях необходимо найти тепловой поток от горячей жидкости к холодной и температуры на поверхности стенки. Удельный тепловой поток от горячей жидкости к стенке определяется уравнением: . При стационарном тепловом режиме тот же тепловой поток пройдет путем теплопроводности через твердую стенку: . Тот же тепловой поток передается от второй поверхности стенки к холодной жидкости за счет теплоотдачи: . Тогда уравнение можно записать в виде: Сложив равенства почленно, получаем: . Отсюда: , Вт/м2. Обозначим , Вт/м2С. С учётом этого, уравнение записывается в виде: , Вт/м2. Величина к имеет ту же размерность, что и величина  и называется коэффициентом теплопередачи. Коэффициент теплопередачи к характеризует интенсивность передачи тепла от одной жидкости к другой, через разделяющую стенку и численно равен количеству тепла, которое передаётся через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между жидкостями в один градус. Величина обратная коэффициенту теплопередачи называется полным термическим сопротивлением теплопередачи. . Из формулы видно, что полное термическое сопротивление складывается из частных термических сопротивлений, где - термическое сопротивление теплоотдачи от горячей жидкости к поверхности стенки; - термическое сопротивление теплопроводности стенки; - термическое сопротивление теплоотдачи от поверхности стенки к холодной жидкости. Поскольку общее термическое сопротивление состоит из термических сопротивлений, то совершенно очевидно, что в случае многослойной стенки нужно учитывать термическое сопротивление каждого слоя. Полное термическое сопротивление теплопередачи через многослойную стенку при этом равно: или . Удельный тепловой поток через многослойную стенку, состоящую из n слоёв, будет равен: , Вт/м2. Тепловой поток через поверхность F твёрдой стенки: . Температуры поверхностей однородной стенки можно найти из уравнения: ; ; . Эти температуры могут быть найдены и с помощью графического метода, с которым мы уже познакомились. Цилиндрическая стенка. Передача тепла при граничных условиях III-его рода Рассмотрим однородную цилиндрическую стенку (трубу) с постоянным коэффициентом теплопроводности . Заданы постоянные температуры подвижных сред tж1 и tж2 и постоянные коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной поверхностях трубы и . Необходимо найти и tс: Будем полагать, что длина трубы велика по сравнению с толщиной стенки. Тогда потерями тепла с торцов трубы можно пренебречь и при установившемся тепловом режиме количество тепла, которое будет передаваться от горячей среды к поверхности стенки, проходить через стенку и отдаваться от стенки к холодной жидкости будет одно и тоже. Следовательно, можно написать: . Перепишем это уравнение относительно температур: . Складывая систему уравнений, получаем полный температурный напор: . Отсюда следует: (Вт/м). Обозначим (Вт/мС). И тогда уравнение запишется: (Вт/м). Величина К называется линейным коэффициентом теплопередачи. Она характеризует интенсивность передачи тепла от одной подвижной среды к другой через разделяющую их стенку. Величина Кl численно равна количеству тепла, которое проходит через стенку трубы длиной в 1м. в единицу времени от одной среды к другой при разности температур между ними в 1С. Величина ; обратная коэффициенту теплопередачи, называется линейным термическим сопротивлением теплопередачи. Она равна: (мС/Вт). где - тепловые сопротивления теплопередачи на соответствующих поверхностях; обозначим их соответственно: и; - тепловое сопротивление теплопроводности стенки, обозначим его . Следует отметить, что линейные термические сопротивления теплоотдачи для трубы определяющиеся не только коэффициентами теплоотдачи и , но и соответствующими диаметрами. Если тепловой поток через цилиндрическую стенку отнести к внутренней или наружной поверхности стенки, то получим плотность теплового потока, отнесенную к единице соответствующей поверхности трубы. (Вт/м2) (Вт/м2) или , где и . В развернутом виде формулы для К1 и К2 имеют вид: (Вт/мС). (Вт/мС). Лекция 2. Интенсификация процессов теплопередачи.(ореб­ренные стенки). Методы расчета и проектирования тепловой изоля­ции При решении практических задач теплопередачи в одних случаях требуется интенсифицировать процесс, в других, наоборот, всячески тормозить (примеры: печь, дом, трубы). Возможности осуществления этих требований вытекают из закономерностей протекания основных способов передачи теплоты, рассмотренных в предыдущих главах. Термическое сопротивление стенки можно уменьшить путем уменьшения толщины стенки и увеличения коэффициента теплопроводности материала. Вопрос о путях интенсификации очень сложный, правильное его решение может быть найдено только на основе п… тельного анализа частных условий теплопередачи и практических требований. Как мы уже отмечали, на процессы теплопередачи большое влияние оказывают значения термических сопротивлений, зная их, находя другими словами, узкое место нужно искать способы его устранения. Часто это можно сделать только экспериментально. Одним из способов увеличения количества передаваемого тепла с поверхности является использование оребрения, рассмотрим процесс передачи теплоты в этом случае на примере плоской стенки: Рассмотрим плоскую стенку толщиной , коэффициент теплопроводности которой . Одна сторона этой стенки снабжена ребрами из того же материала. С гладкой стороны ее поверхность равна F1, а с оребренной F2, последняя состоит из поверхности ребер и поверхности самой стенки между ребрами. Температура поверхности горячей жидкости, омывающей гладкую сторону tж1 , а температура поверхности tс1 . Температура холодной жидкости, омывающей оребренную сторону tж2 , а температура поверхности tс2 . Значения коэффициентов теплоотдачи соответственно 1 и 2 , причем 2  1 . При установившемся тепловом состоянии системы, количество переданной теплоты Q может быть выражено тремя уравнениями: Определяя отсюда частные температурные напоры, получаем: . Складывая, получаем . Отсюда: , где К – коэффициент теплопередачи: . Таким образом, если ребристая поверхность задана и значения 1 и 2 известны, то расчет теплопередачи через такую стену трудности не представляет. Отношения - коэффициент оребрения. Приведенный здесь расчет теплопередачи через оребренную стену относится к случаю, когда оребрение задано, но и к ряду с такими случаями довольно часто требуется сначала рассчитать само оребрение, т.е. установить сложный …. ребер и т.д., причем требования могут быть разные (max , min масса и т.д.). При расчете, мы… что tс2-const, в действительности же, вследствие термического сопротивления температура ребра у вершины ниже, чем у основания, кроме того, при оребрении поверхности меняются так и общие условия теплообмена, как вследствие изменения характера движения жидкости. Поэтому, правильное значение коэффициента теплоотдачи 1 и tс2 могут быть установлены, только экспериментально. Теплопередача через сложные стенки При теплопередаче через плоскую стенку термическим сопротивлением теплопередачи определяются и . При передаче через циклическую стенку, термические сопротивления определяются не только значениями коэффициентов теплопередачи, но и значениями диаметров, то есть и . При передаче через шаровую стенку влияние диаметров сказывается еще сильнее, термические сопротивления теплопередачи соответственно и. Это обстоятельство объясняется тем, что у трубы и шара внешняя поверхность больше внутренней. Из этого следует, что, увеличивая поверхность, путем оребрения, можно существенно уменьшить ее общее термическое сопротивление и тем самым интенсифицировать процесс теплопередачи. Теплопроводность в стержне (постоянного поперечного сечения) Рассмотрим распределение тепла в прямом стержне с постоянным поперечным сечением. Обозначим площадь поперечного сечения f , а периметр –u. Стержень находится в среде с постоянной температурой fж1 коэффициент теплоотдачи от поверхности к окружающей среде будем считать постоянным для всей поверхности. Будем полагать, что коэффициент теплопроводности материала стержня , достаточно велик, а f  l по сравнению с длинной. Последнее даёт возможность пренебречь изменением температуры по сечению стержня. Для удобства выкладок, расчет будем вести от tж и избыточная температура будет определятся как , где - текущая температура стержня; - . На расстоянии х от основания стержня выделим в нем элемент длиной dx. Уравнение теплового баланса от него можно записать: , где - количество тепла, входящее в левую грань элемента за единицу времени; - количество тепла, которое выходит через противоположную грань этого же элемента; - количество тепла, отдаваемого за единицу времени наружной поверхности элемента окружающей среде. Согласно уравнению Фурье: , , откуда , следовательно. С другой стороны, согласно закона Ньютона-Рихмана: . Приравнивая уравнения, получим: , где . Стержень бесконечной длины При тогда . В начальном сечении стержня температура поддерживается постоянной, т.е. при . Если длина то все тепло подводимое к стержню будет отдано им в окружающую среду . Подставка граничных условий в уравнение при : : . Количество тепла, передаваемое стержнем в окружающую среду, очевидно буде равняться количеству тепла, проходящему через его основание: . Из уравнения находим: . Количество тепла отданного или воспринимаемого стержнем будет определятся: При решении обычных задач чаще пользуются этой формулой и для определения количества тепла отданного от стержня конечной … , а иногда . Тепловая изоляция Если требуется снизить теплопередачу, то для этого необходимо увеличить термическое сопротивление. При этом достаточно увеличить какое-либо из частных термических сопротивлений, что может быть сделано по-разному. В большинстве случаев это достигается путем нанесения на стенку слой тепловой изоляции. Виды изоляции Тепловой изоляцией называется всякое вспомогательное покрытие, которое способствует снижению потери теплоты в окружающую среду. Целевое назначение изоляции различно: это или экономия топлива, или создание возможности осуществления технических процессов или создание санитарных условий труда. Подход при расчете изоляции в каждом случае должен быть различен. Для тепловой изоляции могут применяться любые материалы с тупой теплопроводностью. Однако, собственно изоляционными обычно называют такие материалы, коэффициенты теплопроводности которых при температуре 50-100С меньше 0,5 Вт/мС. Многие изоляционные материалы берутся в естественном состоянии (асбест, смола, дерево, пробка, торф), но большинство получают специально. Ассортимент изоляционных материалов разнообразен, многие их них носят специальные названия – шлаковая вата, асбослюда, шлаковая вата, горячий шлак, струя пара. Широкое применение получило так называемое альфолевая изоляция. В качестве изоляции, здесь используют воздух и вся забота сводится к  коэффициенту конвекции и снижения теплопередачи излучением, что достигается путем установки специальной алюминиевой фольги. Эффективно использование пористых материалов, так как  у пористых , о пористых можно судить по плотности. При выборе материала для изоляции необходимо принимать во внимание механические свойства материалов, а также их способность поглощать влагу и выдерживать высокую температуру. Если температура объекта q, то применяют многослойную изоляцию (сначала например, асбест, а затем уже более эффективный). При этом толщина первого слоя выбирается таким образом, чтобы температура на его холодной поверхности была ниже возможно рабочей температуры второго изолятора. До сих пор мы говорили об изоляционных свойствах отдельных материалов, но когда материал наносится на объект, то вследствие примесей и способа нанесения изоляционные свойства изменяются, то в этом случае надо говорить не о  материалов, а о  всей конструкции. Приближенно это можно определить расчетным путем, а более точно экспериментально. При расчете изоляции нужно придерживаться следующего порядка: 1. Сначала устанавливают допустимые тепловые потери объекта при наличии изоляции. 2. Выбирают сорт изоляции и задавшись температурами на поверхностях определяют . 3. По определяют и толщину. Условия рационального выбора материала для тепловой изоляции трубопроводов При .. тепловой изоляции на трубопровод тепловые потери уменьшаются не пропорционально увеличению толщины изоляции, более того, при неправильном выборе материала изоляции, тепловые потери возрастут. Это связано с тем, что у изолированного трубопровода внешняя поверхность увеличивается, и условия теплоотвода улучшаются. Анализ показывает, что материал изоляции выбран правильно, если для удовлетворяет неравенству: , где - наружный диаметр трубопровода; - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности к окружающей среде. Для трубы: , До … слое изоляции: . Сравниваем: Это показывает, что при наложении изоляции, вершины сопротивления слоя … возрастает и  … тела. Но одновременно пое… сопротивление теплоотдачи уменьшается на величине за счёт увеличения площади. Для снижения тепловых потерь нужно, чтобы термическое сопротивление изолированного трубопровода было выше, чем , то есть . Отсюда подставив … ,что неравенство значение получаем , Где К – безразмерный числовой коэффициент: . Изложенные условия определяют основные условия проектирования изоляции труб. Лекция 3. Решение дифференциального уравнения теплопроводности для нагре­ва и охлаждения тел простой геометрической формы при граничных ус­ловиях третьего рода. Определяющие критерии Био и Фурье. Номограммы Д.М. Будрина, анализ решения. Нагревание и охлаждение тел конечных размеров. Аналитическое решение Как нам уже известно, дифференциальное уравнение теплопроводности имеет вид: . (1) Для аналитического решения данного уравнения необходимо задать краевые условия: 1. Начальное распределение температуры в теле. 2. Действие на поверхность окружающей среды. Последнее может быть задано тремя способами: а) По первому способу задается температура поверхности tc количество теплоты, проходящее через элемент поверхности dF при этом неизвестно. б) По второму способу задается наоборот количество теплоты, проходящей через поверхность, но не известна ее температура. в) Наконец по третьему способу задается температура среды tc и коэффициент теплоотдачи между средой и поверхностью . Аналитическое решение Как нам уже известно, дифференциальное уравнение теплопроводности имеет вид: . (1) Для аналитического решения данного уравнения необходимо задать краевые условия: 1. Начальное распределение температуры в теле. 2. Действие на поверхность окружающей среды. Последнее может быть задано тремя способами: а) По первому способу задается температура поверхности tc количество теплоты, проходящее через элемент поверхности dF при этом неизвестно. б) По второму способу задается наоборот количество теплоты, проходящей через поверхность, но не известна ее температура. в) Наконец по третьему способу задается температура среды tc и коэффициент теплоотдачи между средой и поверхностью . В результате решения уравнения 1 должна быть найдена такая функция, которая одновременно удовлетворяла бы этому уравнению и краевым условиям. Температурное поле будем находить в расчетной области, ограниченной осью симметрии тела и его внешней границей (см. рис. 1.2). Для выделения единственного решения данного уравнения зададим условия однозначности: — размер расчетной области ; — теплофизические свойства материала тела известны: a и λ; — внутренние источники теплоты отсутствуют: ; — начальные условия: Т (х1, 0)=Т0; — граничные условия: а) на внутренней границе из условия симметрии температурного поля следует, что ; б) на внешней границе теплообмен определяется температурой окружающей среды Tf и коэффициентом теплоотдачи  . Решением поставленной задачи будет температурное поле для заданных условий однозначности. В результате решения уравнения 1 должна быть найдена такая функция, которая одновременно удовлетворяла бы этому уравнению и краевым условиям. Подобные решения были проведены для тел простой формы – пластины, цилиндр, шары. Их рассмотрением и займемся. Однако ясно, что искомая функция зависит от многих параметров. Однако, при более детальном изучении оказывается, что эти величины можно сгруппировать в две безразмерные величины, эти величины называются числами подобия. 1. . где  - коэффициент теплоотдачи; l – характерный размер;  - коэффициент теплопроводности. Критерий Bi является одной из наиболее важных величин теории теплопроводности, он характеризует интенсивность теплообмена между телом и окружающей средой. Величину Bi можно переписать в следующем виде: , т. е. мы видим, что он имеет смысл относительно термического сопротивления тело к термическому сопротивлению на поверхности. Решение любой задачи теории теплопроводности следует начинать с анализа величины критерия Bi . B зависит от того, какое конкретное значение имеет критерий Bi , в решения могут быть внесены те или иные упрощения. Различают три случая. Первый случай. Bi << 1. Очень малое Bi может быть получено вследствие малых значений  или больших значений . В этом случае температурным перепадом внутри тела можно пренебречь по сравнению с температурным напором, т.е. можно рассматривать температуру тела независимой от координат. Второй случай. Критерий Bi имеет среднее значение 1. Этот случай наиболее трудный. Третий случай. Bi >> 1. В этом случае температуру поверхности тела вследствие большой относительной интенсивности теплообмена можно считать равной температуре окружающей среды, и рассматривать задачу как внутреннюю. II критерий - число Фурье. Число является мерой скорости изменения температуры тела при неустановившемся тепловом состоянии. III критерий - критерий геометрического подобия. Исходя из всего выше сказанного можно будет записать: . Плоская стенка. Пусть толщина неограниченной плоской стенки составляет 2 (l=). Если за начало отсчета температуры принять температуру окружающей среды и избыточную температуру стенки обозначить , то уравнение теплопроводности можно записать: , граничные условия при , начальные условия при tж=const, t=tн При решении …. Задач в большинстве случаев достаточно знать температуру на поверхности и средней плоскости , в этом случае уравнение упрощается, ибо аргумент L становится постоянным числом (при х=0, L=0, при х=, L=1). Следовательно: ; (1) . (2) Кроме распределения температур, часто требуется знать количество теплоты, переданное за время . Отношение к теплоте , которое может быть отдано или воспринято теплом за время полного охлаждения (нагревания(, также является функцией только двух чисел подобия . (3) Таким образом, зависимости (1,2,3) получены в виде номограмм, которые получили название монограммы Будрина. Они построены для различных тел (пластины, шара, цилиндра). Для определения искомых величин необходимо сначала вычислить значения чисел подобия: , и , по которым из графиков определяются относительные температуры и количество теплоты. По этим данным можно приближенно построить всю кривую распределения температуры в теле. Абсолютные значения температур тела на поверхности и в плоскости симметрии для любого момента времени определяется из следующих соотношений: . где - температура окружающей среды; - начальная температура тела; - температура поверхности; - температура в средней плоскости тела. Цилиндр. Для бесконечно длинного цилиндра (стержня) с радиусом R дифференциальное уравнение теплопроводности имеет следующий вид: , Граничные условия при r=R , Начальные условия при =0 . Решение относительно , , также является функцией только двух чисел подобия: и . Эти зависимости также представлены в виде графиков. Величина для участка цилиндра длиной l определяется из соотношения: . Шар. Для шара радиусом R дифференциальное уравнение имеет вид: . Граничные условия при r=R и в данном случае имеются такие же зависимости. Величина для шара равна: . Зависимость процесса распространения теплоты от формы и размеров тела. Скорость протекания процесса для какого-либо тела тем больше, чем больше отношение его поверхности к объему. Лекция 4. Принцип стабильности теплового потока. (метод эквивалентной отливки). Приближенные численные методы решения нестационарных задач Принципы стабильности теплового потока Ранее мы познакомились с некоторыми приближенными методами решения задач о распространении тепла в телах правильной формы. Но большинство тел имеют произвольную форму. Как быть в этом случае? Рассмотрим метод, базирующийся на принципе стабильности теплового потока. Если на поверхности твердого тела оставить тепловой поток постоянным, но изменить условия охлаждения на небольшом участке поверхности, то, что вызывает существенное местное изменение температурного поля. Однако, в точках достаточно удаленных от места возмущения, изменение температурного поля будет ничтожным. Из сказанного выше следует, что деформация поверхности тела будет оказывать существенное влияние на температурное поле только в точках близких к поверхности, а в удаленных от поверхности точках характер температурного поля будет оставаться неизменным. Используя эти свойства стабильности теплового потока, расчет теплопроводности в телах сложной геометрической конфигурации можно свести к расчету процесса нагрева (охлаждения) тел трех классических форм: одномерной плоской пластины – тело первого класса; эллепсного круглого цилиндра – тело второго класса и шара – тело третьего класса. При решении задач, прежде всего, определить класс, к которому надо отнести рассматриваемое тело. Затем произвести сравнение его температурного поля с температурным полем основного тела этого класса. Согласно принципам стабильности должно выполняться следующее условие: , где a - коэффициент теплоотдачи, с индексом 0 к телу класса, без 0 – к рассматриваемому телу. Исходя из этого соотношения, можно проводить расчет температурных полей уже эквивалентного тела. Если в уравнении принять: и , то и , то уравнение принимает вид: , или , где . Безразмерный множитель А характеризует величину поверхности тела, выраженную через поверхность основного тела. Величину А называют критерием формы. При расчете температурных полей в формуле для основных тел вместо a подставляем a0 , выраженную через А. В качестве определяющего размера l берется эквивалентный размер для тела соответствующего класса. При этом: . Для тел первого класса: , где Sср – площадь средней плоскости тела м2. где S – площадь одной боковой поверхности стенки. Для тел второго класса: , где Sсеч – площадь поперечного сечения тела. , где Р – периметр поперечного сечения рассматриваемого тела; Р0 – периметр поперечного сечения эквивалентного тела (цилиндра). Для тел третьего класса: , . При большой интенсивности теплообмена Bi >>1 . Регулярный тепловой режим Рассмотрим процесс охлаждения (или нагревания) твёрдого тела, когда условия охлаждения, температура окружающей среды tж и коэффициент теплопередачи  во времени остаются постоянными и внутренние источники теплоты в теле отсутствуют. При этих условиях нестационарный режим нагревания (охлаждение) может быть разделен на две стадии: начальную стадию и стадию регулярного режима. Первая стадия характеризуется тем, что изменение температурного поля во времени существенно зависит от особенностей начального теплового состояния тела и поэтому, характер процесса не определяется однозначно условиями охлаждения и свойствами тела. Однако, постоянное влияние начальных все более и более утрачивается; напротив воздействия условий охлаждения и физических свойств тела становится все более и более определяющим. Наступает регулярный тепловой режим. При этом, закон изменения температурного поля во времени принимает простой и универсальный вид: логарифм избыточной температуры тела в любой его точке изменяется во времени по линейному закону: , то есть температура убывает во времени по экспоненциальному закону: , где m – 1/сек есть положительное число, независящее от координат и времени. Эта величина характеризует интенсивность охлаждения (нагревания) тела и называется теплом охлаждения (нагревания) тела. Графически это можно изобразить следующим образом. Для двух каких-то точек наступление регулярного режима характеризуется тем, что соответствующие кривые переходят в прямые линии. Основные закономерности регулярного режима были подробно исследованы Кондратьевым, который определил связи между скоростью нагрева и физическими свойствами тела, его формой, размерами и условиями охлаждения. Это позволило разработать методы приближенного расчета нестационарных процессов, методы моделирования и т.д. На основе теории регулярного режима были предложены и получили широкое распространение на практике методы определения теплофизических свойств а  е термических сопротивлений R, степени черноты и коэффициента теплоотдачи . Для регулярного режима характерны следующие основные положения: 1. Основное соотношение форм в определяющее поступление регулярного режима выполняется не только для однородных простых тел, но также для любых сложных систем из разнородных тел, т.е. явление регулизации имеет общий характер. 2. Темп охлаждения однородного тела m при конечном значении коэффициента теплоотдачи пропорционален коэффициенту теплоотдачи  и внешней поверхности тела F и обратно пропорционален полной теплоемкости: . 3. При значение для любой сложной системы конечно, причем, величина для однородных тел пропорциональна коэффициенту температуропроводности а материала: . Коэффициент зависит от геометрических свойств формы и размера тела. Его называют коэффициентом формы. Для тел простой формы величины были определены аналитически: Для шара: ; Для цилиндра длиной l: ; Для параллелепипеда со сторонами : . При известном значении это соотношение является основой для определения коэффициента температуропроводности металла. И наоборот для тел сложной формы тела определяют на специальной модели , причем , где n – отношение линейных размеров. 4. Для системы состоящей из ряда жестко связанных тел с различными свойствами, темп охлаждения однозначно определяется совокупностью теплофизических свойств этих тел, их размерами и формой, а также условиями охлаждения. Для таких сложных систем также могут быть получены соответствующие уравнения. 5. Понятие регулярного режима также применимо и к телам с внутренними источниками или ……… постоянной интенсивности. Различие зависимостей состоит в том, что при простом охлаждении з…. формулируются для избыточной температуры, а при наличии источников теплоты – для разностей температур . Лекция 5. Теплообмен при наличии фазовых превращений и на границе раздела фаз. Теплообмен при кипении жидкостей при пузырьковом, пленочном и переходном режимах кипения. Теплообмен при конденсации пара ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ И КОНДЕНСАЦИИ ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ Кипением называется процесс интенсивного парообразования, происходящего во всем объеме жидкости, находящейся при температуре насыщения или несколько перегретой относительно температуры насыщения, с образованием паровых пузырей. В процессе фазового превращения поглощается теплота парообразования. Процесс кипения обычно связан с подводом теплоты к кипящей жидкости. Режимы кипения жидкости. Различают кипение жидкостей на твердой поверхности теплообмена, к которой извне подводится теплота, и кипение в объеме жидкости. При кипении на твердой поверхности образования паровой фазы наблюдается в отдельных местах этой поверхности. При объемном кипении паровая фаза возникает самопроизвольно (спонтанно) непосредственно в объеме жидкости в виде отдельных пузырьков пара. Объемное кипение может происходить лишь при более значительном перегреве жидкой фазы относительно температуры насыщения при данном давлении, чем кипение на твердой поверхности. Значительный перегрев может быть получен, например, при быстром сбросе давления в системе. Объемное кипение может иметь место при наличии в жидкости внутренних источников тепла. В современной энергетике и технике обычно встречаются процессы кипения на твердых поверхностях нагрева (поверхности труб, стенки каналов и т.п.). Этот вид кипения в основном и рассматривается далее. Механизм теплообмена при пузырьковом кипении отличается от механизма теплоотдачи при конвекции однофазной жидкости наличием дополнительного переноса массы вещества и теплоты паровыми пузырями из пограничного слоя в объем кипящей жидкости. Это приводит к высокой интенсивности теплоотдачи при кипении по сравнению с конвекцией однофазной жидкости. Для возникновения процесса кипения необходимо выполнение двух условий: наличие перегрева жидкости относительно температуры насыщения и наличие центров парообразования. Перегрев жидкости имеет максимальную величину непосредственно у обогреваемой поверхности теплообмена. На ней же находятся центры парообразования в виде неровностей стенки, пузырьков воздуха, пылинок и др. Поэтому образование пузырьков пара происходит непосредственно на поверхности теплообмена. Рисунок 3.1 – режимы кипения жидкости в неограниченном объеме: а) -пузырьковый; б) – переходный; в) - пленочный На рис. 3.1. схематически показаны режимы кипения жидкости в неограниченном объеме. При пузырьковом режиме кипения (рис. 3.1,а) по мере увеличения температуры поверхности нагрева tc и соответственно температурного напора  число действующих центров парообразования растет, процесс кипения становится все более интенсивным. Паровые пузырьки периодически отрываются от поверхности и, всплывая к свободной поверхности, продолжают расти в объеме. При повышении температурного напора Δt значительно возрастает поток теплоты, который отводится от поверхности нагрева к кипящей жидкости. Вся эта теплота в конечном счете расходуется на образование пара. Поэтому уравнение теплового баланса при кипении имеет вид:  , (3-1) где Q — тепловой поток, Вт; r — теплота фазового перехода жидкости, Дж/кг; Gп — количество пара, образующегося в единицу времени в результате кипения жидкости и отводимого от ее свободной поверхности, кг/с. Тепловой поток Q при увеличении температурного напора Δt растет не беспредельно. При некотором значении Δt он достигает максимального значения (Рис. 3.2), а при дальнейшем повышении Δt начинает уменьшаться. Рисунок 3.2 – Зависимость плотности теплового потока q от температурного напора Δt при кипении воды в большом объеме при атмосферном давлении: 1- подогрев до температуры насыщения; 2 – пузырьковый режим; 3 – переходный режим; 4 – пленочный режим. Дать участки 1 2 3 и 4 Пузырьковыйрежим кипения имеет место на участке 2 (Рис. 3.2) до достижения максимального теплоотвода в точке qкр1 , называемой первой критической плотностью теплового потока. Для воды при атмосферном давлении первая критическая плотность теплового потока составляет  ≈  Вт/м2; соответствующее критическое значение температурного напора  Вт/м2. (Эти значения относятся к условиям кипения воды при свободном движении в большом объеме. Для других условий и других жидкостей значения будут иными). При бóльших Δt наступает переходный режим кипения (рис. 3.1, б). Он характеризуется тем, что как на самой поверхности нагрева, так и вблизи нее пузырьки непрерывно сливаются между собой, образуются большие паровые полости. Из-за этого доступ жидкости к самой поверхности постепенно все более затрудняется. В отдельных местах поверхности возникают «сухие» пятна; их число и размеры непрерывно растут по мере увеличения температуры поверхности. Такие участки как бы выключаются из теплообмена, так как отвод теплоты непосредственно к пару происходит существенно менее интенсивно. Это и определяет резкое снижение теплового потока (участок 3 на Рис. 3.2) и коэффициента теплоотдачи в области переходного режима кипения. Наконец, при некотором температурном напоре вся поверхность нагрева покрывается сплошной пленкой пара, оттесняющей жидкость от поверхности. С этого момента имеет место пленочный режим кипения (рис. 3.1, в). При этом перенос теплоты от поверхности нагрева к жидкости осуществляется путем конвективного теплообмена и излучения через паровую пленку. Интенсивность теплообмена в режиме пленочного кипения достаточно низкая (участок 4 на рис. 3.2). Паровая пленка испытывает пульсации; пар, периодически накапливающийся в ней, отрывается в виде больших пузырей. В момент наступления пленочного кипения тепловая нагрузка, отводимая от поверхности, и соответственно количество образующегося пара имеют минимальные значения. Это соответствует на рис. 3.2 точке qкр2, называемой второй критической плотностью теплового потока.При атмосферном давлении для воды момент начала пленочного кипения характеризуется температурным напором  ≈150 °С, т. е. температура поверхности tc составляет примерно 250°С. По мере увеличения температурного напора все большая часть теплоты передается за счет теплообмена излучением. Все три режима кипения можно наблюдать в обратном порядке, если, например, раскаленное массивное металлическое изделие опустить в воду для закалки. Вода закипает, вначале охлаждение тела идет относительно медленно (пленочное кипение), затем скорость охлаждения быстро нарастает (переходный режим), вода начинает периодически смачивать поверхность, и наибольшая скорость снижения температуры поверхности достигается в конечной стадии охлаждения (пузырьковое кипение). В этом примере кипение протекает в нестационарных условиях во времени. На рис. 3.3 показана визуализация пузырькового и пленочного режимов кипения на электрически обогреваемой проволоке, находящейся в воде.   А б рис. 3.3 визуализация пузырькового и пленочного режимов кипения на электрически обогреваемой проволоке: а) - пузырьковый и б) - пленочный режим кипения. На практике часто встречаются также условия, когда к поверхности подводится фиксированный тепловой поток, т. е. q = const. Это характерно, например, для тепловых электрических нагревателей, тепловыделяющих элементов ядерных реакторов и, приближенно, в случае лучистого обогрева поверхности от источников с весьма высокой температурой. В условиях q = const температура поверхности tc и соответственно температурный напор Δt зависят от режима кипения жидкости. Оказывается, что при таких условиях подвода теплоты переходный режим стационарно существовать не может. Вследствие этого процесс кипения приобретает ряд важных особенностей. При постепенном повышении тепловой нагрузки q температурный напор Δt возрастает в соответствии с линией пузырькового режима кипения на рис. 3.2, и процесс развивается так же, как это было описано выше. Новые условия возникают тогда, когда подводимая плотность теплового потока достигает значения, которое соответствует первой критической плотности теплового потока qкр1. Теперь при любом незначительном (даже случайном) повышении величины q возникает избыток между количеством подводимой к поверхности теплоты и той максимальной тепловой нагрузкой qкр1, которая может быть отведена в кипящую жидкость. Этот избыток (q— qкр1) вызывает увеличение температуры поверхности, т. е. начинается нестационарный разогрев материала стенки. Развитие процесса приобретает кризисный характер. За доли секунды температура материала поверхности нагрева возрастает на сотни градусов, и лишь при условии, что стенка достаточно тугоплавкая, кризис заканчивается благополучно новым стационарным состоянием, отвечающим области пленочного кипения при весьма высокой температуре поверхности. На рис. 3.2 этот кризисный переход от пузырькового режима кипения к пленочному условно показан стрелкой как «перескок» с кривой пузырькового кипения на линию пленочного кипения при той же тепловой нагрузке qкр1. Однако обычно это сопровождается расплавлением и разрушением поверхности нагрева (ее пережогом). Вторая особенность состоит в том, что если произошел кризис и установился пленочный режим кипения (поверхность не разрушилась), то при снижении тепловой нагрузки пленочное кипение будет сохраняться, т. е. обратный процесс теперь будет происходить по линии пленочного кипения (рис. 3.2). Лишь при достижении qкр2 жидкость начинает вновь в отдельных точках периодически достигать (смачивать) поверхность нагрева. Отвод теплоты растет и превышает подвод теплоты, вследствие чего возникает быстрое охлаждение поверхности, которое также носит кризисный характер. Происходит быстрая смена режимов, и устанавливается стационарное пузырьковое кипение. Этот обратный переход (второй кризис) на рис. 3.2 также условно показан стрелкой как «перескок» с кривой пленочного кипения на линию пузырькового кипения при q = qкр2. Итак, в условиях фиксированного значения плотности теплового потока q, подводимого к поверхности нагрева, оба перехода от пузырькового к пленочному и обратно носят кризисный характер. Они происходят при критических плотностях теплового потока qкр1 и qкр2соответственно. В этих условиях переходный режим кипения стационарно существовать не может, он является неустойчивым. На практике широко применяются методы отвода теплоты при кипении жидкости, движущейся внутри труб или каналов различной формы. Так, процессы генерации пара осуществляются за счет кипения воды, движущейся внутри котельных труб. Теплота к поверхности труб подводится от раскаленных продуктов сгорания топлива за счет излучения и конвективного теплообмена. Для процесса кипения жидкости, движущейся внутри ограниченного объема трубы (канала), описанные выше условия остаются в силе, но вместе с этим появляется ряд новых особенностей. Вертикальная труба. Труба или канал представляет собой ограниченную систему, в которой при движении кипящей жидкости происходят непрерывное увеличение паровой и уменьшение жидкой фаз. Соответственно этому изменяется и гидродинамическая структура потока, как по длине, так и по поперечному сечению трубы. Соответственно изменяется и теплоотдача. Наблюдается три основные области с разной структурой потока жидкости по длине вертикальной трубы при движении потока снизу вверх (рис. 3.4): I – область подогрева (экономайзерный участок, до сечения трубы, где Тс=Тн); II – область кипения (испарительный участок, от сечения, где Тс=Тн, iж< iн, до сечения, где Тс=Тн, iсм→ iн); III – область подсыхания влажного пара. Испарительный участок включает в себя области с поверхностным кипением насыщенной жидкости. На рис. 3.4 схематично показан структура такого потока. Участок 1 соответствует подогреву однофазной жидкости до температуры насыщения (экономайзерный участок). На участке 2 происходит поверхностное пузырьковое кипение, при котором теплоотдача увеличивается по сравнению с участком 2. На участке 3 имеет место эмульсионный режим, при котором двухфазный поток состоит из жидкости и равномерно распределенных в ней сравнительно небольших пузырьков, которые в дальнейшем сливаются, образуя крупные пузыри-пробки, соизмеримые с диаметром трубы. При пробковом режиме (участок 4) пар движется в виде отдельных крупных пузырей-пробок, разделенных прослойками парожидкостной эмульсии. Далее на участке 5 в ядре потока сплошной массой движется влажный пар, а у стенки трубы – тонкий кольцевой слой жидкости. Толщина этого слоя жидкости постепенно уменьшается. Данный участок соответствует кольцевому режиму кипения, который заканчивается при исчезновении жидкости на стенке. На участке 6 происходит подсушивания пара (повышение степени сухости пара). Поскольку процесс кипения завершен, то теплоотдача снижается. В дальнейшем, вследствие увеличения удельного объема пара, скорость пара увеличивается, что ведет к некоторому увеличению теплоотдачи. Рис.3.4 – Структура потока при кипении жидкости внутри вертикальной трубы . Увеличение скорости циркуляции при заданных qс, длине трубы и температуры на входе приводит к уменьшению участков с развитым кипением и увеличению длины экономайзерного участка; с увеличением qс при заданной скорости, наоборот, длина участков с развитым кипением увеличивается, а длина экономайзерного участка уменьшается. Горизонтальные и наклонные трубы. При движении двухфазного потока внутри труб, расположенных горизонтально или с небольшим наклоном, кроме изменения структуры потока по длине, имеет место значительное изменение структуры по периметру трубы. Так, если скорость циркуляции и содержания пара в потоке невелики, наблюдается расслоение двухфазного потока на жидкую фазу, движущуюся в нижней части трубы, и паровую, движущуюся в верхней части ее (рис. 3.5,а). При дальнейшем увеличении паросодержания и скорости циркуляции поверхность раздела между паровой и жидкой фазами приобретает волновой характер, и жидкость гребнями волн периодически смачивает верхнюю часть трубы. С дальнейшим увеличение содержания пара и скорости волновое движение на границе раздела фаз усиливается, что приводит к частичному выбрасыванию жидкости в паровую область. В результате двухфазный поток приобретает характер течения, сначала близкий к пробковому, а потом – к кольцевому. Рис. 3.5 – Структура потока при кипении жидкости внутри горизонтальной трубы. а – расслоенный режим кипения; б – стержневой режим; 1 – пар; 2 – жидкость. При кольцевом режиме по всему периметру трубы устанавливается движение тонкого слоя жидкости, в ядре потока перемещается парожидкостная смесь (рис. 3.5,б). Однако и в этом случае полной осевой симметрии в структуре потока не наблюдается. если интенсивность подвода теплоты к стенкам трубы достаточно высока, то процесс кипения может происходить также при течении в трубе, недогретой до температуры насыщения жидкости, Такой процесс возникает, когда температура стенки tc превышает температуру насыщения ts. он охватывает пограничный слой жидкости непосредственно у стенки. Паровые пузырьки, попадающие в холодное ядро потока, быстро конденсируются. Этот вид кипения называют кипением с недогревом. Отвод теплоты в режиме пузырькового кипения является одним из наиболее совершенных методов охлаждения поверхности нагрева. Он находит широкое применение в технических устройствах. 3.1.2. Теплообмен при пузырьковом кипении. Наблюдения показывают, что при увеличении температурного напора Δt = tc-ts, а также давления р на поверхности нагрева увеличивается число активных центров парообразования. В итоге все большее количество пузырьков непрерывно возникает, растет и отрывается от поверхности нагрева. Вследствие этого увеличиваются турбулизация и перемешивание пристенного пограничного слоя жидкости. В процессе своего роста на поверхности нагрева пузырьки также интенсивно забирают теплоту из пограничного слоя. Все это способствует улучшению теплоотдачи. В целом процесс пузырькового кипения носит довольно хаотичный характер. Исследования показывают, что на технических поверхностях нагрева число центров парообразования зависит от материала, строения и микрошероховатости поверхности, наличия неоднородности состава поверхности и адсорбированного поверхностью газа (воздуха). Заметное влияние оказывают различные налеты, окисные пленки, а также любые другие включения. Наблюдения показывают, что в реальных условиях центрами парообразования обычно служат отдельные элементы неровности и микрошероховатости поверхности (предпочтительно различные углубления и впадины). Обычно на новых поверхностях число центров парообразования выше, чем на тех же поверхностях после длительного кипения. В основном это объясняется наличием адсорбированного поверхностью газа. Со временем газ постепенно удаляется, он смешивается с паром, находящимся в растущих пузырьках, и выносится в паровое пространство. Процесс кипения и теплоотдача стабилизируются во времени и по интенсивность. На условия образования паровых пузырьков большое влияние оказывает поверхностное натяжение на границе раздела жидкости и пара. Вследствие поверхностного натяжения давление пара внутри пузырька рп выше давления окружающей его жидкости рж. Их разность определяется уравнением Лапласа  (3-1) где σ— поверхностное натяжение; R — радиус пузырька . Уравнение Лапласа выражает условие механического равновесия. Оно показывает, что поверхностное натяжение наподобие упругой оболочки «сжимает» пар в пузырьке, причем тем сильнее, чем меньше его радиус R. Зависимость давления пара в пузырьке от его размера накладывает особенности на условие теплового или термодинамического равновесия малых пузырьков. Пар в пузырьке и жидкость на его поверхности находятся в равновесии, если поверхность жидкости имеет температуру, равную температуре насыщения при давлении пара в пузырьке, ts (рп). Эта температура выше, чем температура насыщения при внешнем давлении в жидкости ts (рж). Следовательно, для осуществления теплового равновесия жидкость вокруг пузырька должна быть перегрета на величину ts (рп)-ts (рж). Следующая особенность заключается в том, что это равновесие оказывается неустойчивым. Если температура жидкости несколько превысит равновесное значение, то произойдет испарение части жидкости внутрь пузырьков и его радиус увеличится. При этом согласно уравнению Лапласа давление пара в пузырьке понизится. Это приведет к новому отклонению от равновесного состояния. Пузырек начнет неограниченно расти. Так же при незначительном понижении температуры жидкости часть пара сконденсируется, размер пузырька уменьшится, давление пара в нем повысится. Это повлечет за собой дальнейшее отклонение от равновесных условий, теперь уже в другую сторону. В итоге пузырек полностью сконденсируется и исчезнет. Следовательно, в перегретой жидкости не любые случайно возникшие маленькие пузырьки обладают способностью к дальнейшему росту, а только те, радиус которых превышает значение, отвечающее рассмотренным выше условиям неустойчивого механического и теплового равновесия. Это минимальное значение радиуса пузырька Rmin часто называют также критическим радиусом парового зародыша. Величина Rmin зависит от степени перегрева жидкости, т. е. от разности температур  , где ts - температура насыщения при давлении в жидкости. Выражение для минимального радиуса парового пузырька можно получить из уравнения Лапласа:  , если учесть при этом, что разность давлений между паром и жидкостью для такого пузырька согласно условию теплового равновесия составляет:  ≈  где  — производная давления по температуре на линии насыщения. Таким образом, имеем:  (3-2) или с учетом зависимости давления насыщенного пара от кривизны поверхности раздела  (3-2а) где производная  представляет собой физическую характеристику данного вещества, она определяется уравнением Клапейрона — Клаузиса  (3-3) т. е. выражается через другие физические постоянные: теплоту фазового перехода r, плотности пара ρп и жидкости ρж и абсолютную температуру насыщения Ts. Уравнение (3-2) показывает, что если в отдельных точках поверхности нагрева появляются паровые зародыши, то способностью к дальнейшему самопроизвольному росту обладают лишь те из них, радиус кривизны которых превышает значение Rmin. Поскольку с ростом Δt величина Rmin снижается, уравнение (3-2) объясняет экспериментально наблюдаемый факт увеличения числа центров парообразования при повышении температуры поверхности. Увеличение числа центров парообразования с ростом давления также связано с уменьшением Rmin, ибо при повышении давления величина p′s растет, а σ снижается. Расчеты показывают, что для воды, кипящей при атмосферном давлении, при Δt = 5°С Rmin = 6,7 мкм, а при Δt = 25°С Rmin = 1,3 мкм. Наблюдения, проведенные с применением скоростной киносъемки, показывают, что при фиксированном режиме кипения частота образования паровых пузырьков оказывается неодинаковой как в различных точках поверхности, так и во времени. Это придает процессу кипения сложный статистический характер. Соответственно скорости роста и отрывные размеры различных пузырьков также характеризуются случайными отклонениями около некоторых средних величин. После достижения пузырьком определенного размера он отрывается от поверхности. Отрывной размер определяется в основном взаимодействием сил тяжести, поверхностного натяжения и инерции. Последняя величина представляет собой динамическую реакцию, возникающую в жидкости вследствие быстрого роста пузырьков в размерах. Обычно эта сила препятствует отрыву пузырьков. Кроме того, характер развития и отрыва пузырьков в большой мере зависит от того, смачивает жидкость поверхность или не смачивает. Смачивающая способность жидкости характеризуется краевым углом θ, который образуется между стенкой и свободной поверхностью жидкости. Чем больше θ, тем хуже смачивающая способность жидкости. Принято считать, что при θ <90° (рис. 3.6, а), жидкость смачивает поверхность, а при θ >90° - не смачивает. Значение краевого угла зависит от природы жидкости, материала, состояния и чистоты поверхности. Если кипящая жидкость смачивает поверхность нагрева, то паровые пузырьки имеют тонкую ножку и от поверхности отрываются легко (рис. 3.7, а). Если же жидкость не смачивает поверхность, то паровые пузырьки имеют широкую ножку (рис. 3.7, б) и отрываются по перешейку, или парообразование происходит по всей поверхности.                 Обычные жидкости: вода, спирты, бензол, ацетон и др.— смачивают чистые металлические поверхности нагрева. Смачивающая способность воды значительно снижается, если металлическая поверхность покрыта жирной пленкой. Примером несмачивающей жидкости может служить ртуть (θ ≈ 140°). При кипении обычных жидкостей на металлических поверхностях нагрева средние отрывные диаметры пузырьков D0 при атмосферном давлении составляют примерно 1—2 мм. При увеличении давления значения D0 уменьшаются. На рис. 3.8 представлены значения D0 при кипении воды в большом объеме на горизонтальной поверхности [32, 119] в диапазоне давлений (0,2…100)·105 Па. Резкое увеличение D0 при снижении давления ниже атмосферного объясняется возрастанием влияния силы инерции, препятствующей отрыву пузырьков. При увеличении температурного напора (или теплового потока) постепенно начинает развиваться процесс слияния отдельных пузырьков с образованием больших вторичных пузырей и целых паровых «столбов». Около поверхности среднее объемное содержание пара возрастает до 60—80%. Однако, как показывают исследования, в очень тонком поверхностном слое у самой стенки по-прежнему преобладает жидкая фаза. Термическое сопротивление этого слоя в основном и определяет интенсивность теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении. Эффективная толщина слоя по мере увеличения тепловой нагрузки снижается, что приводит к увеличению интенсивности теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи α при кипении принято относить к температурному напору   (3-4)   Экспериментальные данные показывают, что интенсивность теплоотдачи растет при увеличении плотности теплового потока и давления. Эта закономерность характерна для любых жидкостей, смачивающих поверхность нагрева. Исследования показывают, что закономерность теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении практически не зависит от размеров и формы теплоотдающей поверхности. Вместе с тем опыты обнаруживают, что интенсивность теплообмена может меняться в зависимости от состояния, материала и чистоты поверхности нагрева. Влияние этих факторов на теплоотдачу проявляется, по-видимому, в основном за счет изменения плотности центров парообразования. Улучшение теплоотдачи наблюдалось в ряде опытов при увеличении микрошероховатости металлической поверхности, а также при увеличении теплопроводности материала стенки. Имеются данные, показывающие, что выпадение на поверхность нагрева в незначительном количестве налетов и окислов также может способствовать некоторому увеличению теплоотдачи. Однако значительное загрязнение поверхности снижает интенсивность передачи теплоты за счет появления дополнительного термического сопротивления слоя загрязнений. Известно так же. что при увеличении краевого угла θ (в области смачивания) теплообмен увеличивается. При очень чистых поверхностях и чистой жидкости отмечается снижение теплоотдачи. Обычно на практике перечисленные выше поверхностные эффекты проявляются одновременно. Это затрудняет точное определение теплоотдачи. Опыты показывают, что при фиксированных q и р значения α из-за различия в поверхностных условиях могут ощутимо изменяться. Теплоотдача на погруженных поверхностях при развитом кипении не зависит от формы и ориентации теплоотдающей поверхности (если реализованы условия беспрепятственного отвода пузырьков пара). Для расчета теплоотдачи могут использоваться различные эмпирические зависимости. Для воды в диапазоне давлений примерно от 1 до 40 бар (р/ркр≤0,18) получены зависимости α = 3,0q0,7 p0,15; (3-5) α = 38,7Δt2,33 p0,5, (3-6) в которые q и p следует подставлять соответственно в ваттах на квадратный метр и в барах. Приведенная ниже зависимость обобщает большое число опытных данных по теплоотдаче при кипении различных жидкостей (включая жидкие металлы):  ( 3-7 ) где при  <0,01 С=0,625; n=0,5 а при  ≥0,01 С=0,125; n=0,65  ;  ;  ;   ;  ;  Физические параметры, входящие в числа подобия, берутся при ts . при вынужденном движений жидкости теплоотдача при развитом пузырьковом кипении может быть рассчитана с использованием следующей зависимости:  (3-8) где ps — бар; q — Вт/м2. Формула применима в диапазоне давлений от 1 до 200 бар. В области весьма низких давлений (ps  . Все теплофизические параметры выбираются при ts. Приведенные расчетные зависимости справедливы при конденсации чистого насыщенного пара и на чистой поверхности. Поэтому при определении значения коэффициента теплоотдачи по возможности необходимо учитывать обычно имеющие место дополнительные обстоятельства, влияющие на теплоотдачу. Влияние различных факторов на процесс конденсации В л и я н и е п е р е г р е в а п а р а. Если температура стенки ниже температуры насыщения, то процесс конденсации перегретого пара протекает так же, как и насыщенного. Конечно, это не значит, что перегретый пар сразу становится насыщенным во всем объеме; насыщенным пар становится лишь у стенки по мере его охлаждения, а вдали от стенки он остается перегретым. При конденсации перегретого пара необходимо учитывать теплоту перегрева  , Дж/кг, и вместо теплоты фазового перехода r в расчетную формулу подставлять значение  , где  и  — энтальпии перегретого и насыщенного пара соответственно. За разность температур при этом по-прежнему принимается  . Так как rпп > r, то при конденсации перегретого пара теплоотдача несколько выше, чем при конденсации насыщенного пара. Однако разница обычно незначительна и в практических расчетах ею часто можно пренебречь. В л и я н и е с о с т о я н и я п о в е р х н о с т и. Теплоотдача при конденсации пара зависит от состояния поверхности. Если поверхность шероховата или покрыта слоем окисла, то вследствие дополнительного сопротивления течению толщина пленки увеличивается, а коэффициент теплоотдачи при этом снижается. Следует отметить, что в случае наличия окисной пленки она сама оказывает дополнительное термическое сопротивление. В л и я н и е с о д е р ж а н и я в п а р е н е к о н д е н с и р у ю щ и х с я г а з о в. При наличии в паре воздуха или других неконденсирующихся газов теплоотдача при конденсации сильно снижается. Это происходит потому, что на холодной стенке конденсируется только пар, а воздух остается. При отсутствии конвекции с течением времени воздух скапливается около стенки и оказывает значительное препятствие продвижению пара к стенке. Опытная кривая изменения относительного коэффициента теплоотдачи в зависимости от концентрации воздуха в паре по данным [20] приведена на рис. 3.15. Здесь по оси абсцисс нанесено значение массовой концентрации воздуха в паре æ=mв/mп %, а по оси ординат — отношение  , где mв — масса воздуха, кг; mп — масса пара, кг, содержащиеся в единице объема смеси. Коэффициент теплоотдачи  отнесен к разности температур  , где tп — температура паровоздушной смеси вдали от поверхности, °С. Опыты проводились на горизонтальных трубах. Как видно из рисунка, при содержании в паре даже 1% воздуха коэффициент теплоотдачи снижается на 60%. Это является причиной, почему в промышленных конденсаторах осуществляется непрерывный отсос воздуха. В л и я н и е с к о р о с т и и н а п р а в л е н и я т е ч е н и я п а р а. Приведенные выше зависимости справедливы для неподвижного пара или когда скорость его течения мала. При значительных скоростях поток пара оказывает динамическое воздействие на конденсатную пленку. Если движение пара совпадает с направлением течения пленки, поток пара ускоряет движение конденсата в пленке, ее толщина уменьшается, и коэффициент теплоотдачи возрастает. При движении пара снизу вверх, т. е. в обратном направлении, течение пленки тормозится, толщина ее увеличивается, а коэффициент теплоотдачи уменьшается. Однако такое явление происходит лишь до тех пор, пока динамическое воздействие пара не превысит силу тяжести. После этого пленка пара увлекается вверх и частично срывается с поверхности. При этом с увеличением скорости пара коэффициент теплоотдачи вновь растет. В л и я н и е к о м п о н о в к и п о в е р х н о с т и н а г р е в а. При проектировании конденсационных устройств большое внимание должно уделяться правильной компоновке поверхности нагрева. Теплоотдача на горизонтальных трубах больше, по сравнению с вертикальными, так как в первом случае толщина пленки конденсата меньше. Однако это справедливо лишь для одной трубки или для верхнего ряда горизонтальных труб в пучке. В многорядных пучках конденсат с верхних рядов стекает на нижние, поэтому и пленка здесь получается более толстой. в реальных условиях конденсат стекает в виде отдельных капель или струйками, что вызывает одновременно значительные возмущения и даже турбулизацию пленки. Кроме того, при конденсации пара на многорядном пучке необходимо учитывать влияние скорости движения поступающего пара в зазорах между трубами, которая может изменять характер стекания конденсата. Для вертикальных труб коэффициент теплоотдачи книзу уменьшается вследствие утолщения пленки. В этом случае среднее значение теплоотдачи можно увеличить путем установки по высоте трубы конденсатоотводных колпачков (рис. 3.16). Установка таких колпачков через каждые 10см на трубе высотой h = 3м увеличивает среднее значение коэффициента теплоотдачи в 2-3 раза. при проектировании конденсаторов большое внимание следует уделять профилактическим мерам против снижения теплоотдачи вследствие, например, наличия воздуха, неправильного отвода конденсата и подачи пара в аппарат, отложения на поверхности солей, масла и других загрязнений. Именно эти обстоятельства могут оказаться причиной неудовлетворительной работы конденсаторов. Лекция 6. Теплообмен при затвердевании металла. Задача Стефана, Затвердевание при постоянной температуре, затвердевание сплава в интервале температур, Примеры расчета теплообмена при наличии фазовых превращений. Математические модели затвердевания отливок простой геометрической формы при литье в песчаную форму, кокиль, оболочковую форму Задача Стефана. Лекция 7. Теплообменные аппараты. Общие положения. Рекуперативные аппараты. Методы расчета. Теплообменные регенеративные и смесительные аппарат ы. Гидромеханический расчет теплообменных аппаратов. Моделирование тепловых устройств. Теплообменным аппаратом называется устройство, в котором осуществляется процесс передачи теплоты от одного теплоноси­теля к другому. Такие аппараты многочисленны и по своему тех­нологическому назначению и конструктивному оформлению весьма разнообразны. По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и сме­сительные. Рекуперативными называются такие аппараты, в которых теп­лота от горячего теплоносителя к холодному передается через раз­деляющую их стенку. Примером таких аппаратов являются паро­генераторы, подогреватели, конденсаторы и т. п. Регенеративными называются такие аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При протекании горячей жидкости теплота вос­принимается стенками аппарата и в них аккумулируется, при про­текании холодной жидкости эта аккумулированная теплота ею вос­принимается. Примером таких аппаратов являются регенераторы мартеновских и стеклоплавильных печей, воздухоподогреватели доменных печей и др. В рекуперативных и регенеративных аппаратах процесс пере­дачи теплоты неизбежно связан с поверхностью твердого тела. Поэтому такие аппараты называются также поверхност­ными. В смесительных аппаратах процесс теплопередачи происходит путем непосредственного соприкосновения и смешения горячего и холодного теплоносителей. В этом случае теплопередача проте­кает одновременно с материальным обменом. Примером таких теплообменников являются башенные охладители (градирни), скрубберы и др. Специальные названия теплообменных аппаратов обычно опре­деляются их назначением, например, парогенераторы, печи, водо-подогреватели, испарители, перегреватели, конденсаторы, деаэра­торы и т. д. Однако несмотря на большое разнообразие теплообмен­ных аппаратов по виду, устройству, принципу действия и рабочим телам, назначение их в конце концов одно и то же, это — передача теплоты от одной, горячей, жидкости к другой, холодной. Поэтому и основные положения теплового расчета для них остаются общими. РЕКУПЕРАТИВНЫЕ АППАРАТЫ 1. Основные положения теплового расчета. Тепловой расчет теплообменного аппарата может быть конструкторским, целью которого является определение площади поверхности теплообмена, и поверочным, при котором устанавливается режим работы аппарата и определяются конечные температуры теплоносителей. В обоих случаях основными расчетными уравнениями являются: уравнение теплопередачи Q= k F (t1-t2) и уравнение теплового баланса Q1=Q2+ΔQ где Q1- количество теплоты которое отдается горячим теплоносителем Q1=G1 cp1 (t11- t111) Q2 –количество теплоты которое воспринимается холодным теплоносителем Q1=G2 cp2 (t21- t211) ΔQ – потери теплоты в окружающую среду cp1 cp2 – удельные теплоемкости теплоносителей; G1 G2 – расходы теплоносителей; (t11- t111) — температуры горячего теплоносителя на входе и выходе из аппарата)\ (t21- t211) — температуры холодного теплоносителя на входе и выходе его из аппарата. При выводе расчетных формул теплопередачи было принято, что в данной точке или сечении теплообменного устрой­ства температура рабочей жидкости постоянна. Однако это поло­жение для всей поверхности справедливо приближенно лишь при кипении жидкости и конденсации паров. В общем случае темпера­тура рабочих жидкостей в теплообменниках изменяется: горячая охлаждается, а холодная нагревается. Вместе с этим изменяется и температурный напор между ними Δt=(t1-t2)/ В таких ус­ловиях уравнение теплопередачи применимо лишь в диффе­ренциальной форме к элементу поверхности, а именно: dQ=k Δt dF1 Общее количество теплоты, переданное через всю поверхность, определяется интегралом этого выражения Это и есть расчетное уравнение теплопередачи. Здесь Δt — сред­нее значение температурного напора по всей поверхности нагрева. В тепловых расчетах важное значение имеет величина, назы­ваемая водяным эквивалентом, W, Дж/(с-°С), Вт/°С: W = G cp где G = ρ w f — массовый расход теплоносителя; w — скорость теплоносителя; р — плотность теплоносителя; f — площадь се­чения канала. Если величину W ввести в уравнение теплового баланса то оно принимает вид: W1 (t11- t111) = W2 (t21- t211) откуда: (t11- t111)/ (t21- t211) = W2 / W1 Последнее означает, что отношение изменений температур ра­бочих жидкостей обратно пропорционально отношению их водяных эквивалентов. Такое соотношение справедливо как для всей поверхности нагрева, так и для каждого ее элемента. Характер изменения температуры рабочих жидкостей вдоль по­верхности нагрева зависит от схемы их движения и соотношения величин W1 и W2. Если в теплообменном аппарате горячая и хо­лодная жидкости протекают параллельно ив одном направлении, то такая схема движения называется прямотоком (рис. 8-1, а). Если жидкости протекают параллельно, но в прямо противополож­ном направлении,— противотоком (рис. 8-1,6). Наконец, если жидкости протекают в перекрестном направлении,— перекрестным током (рис. 8-1, в). Помимо таких простых схем движения, на практике осуществляются и сложные: одновременно прямоток и противоток (рис. 8-1, г), многократно перекрестный ток, (рис. 8-1, д—ж) и т. д. В зависимости от того, осуществляется ли прямоток или проти­воток и W1 больше или меньше, чем W2, получаются четыре ха­рактерные пары кривых изменения температуры вдоль поверхно­сти нагрева, представленные на рис. 8-2. Здесь по осям абсцисс от­ложена площадь поверхности нагрева F, а по осям ординат — тем­пература рабочих жидкостей. В соответствии с уравнением (8-5) на графиках большее изме­нение температуры t'—t" = δt получается для той жидкости, у которой значение величины W меньше. Схемы движения рабочих жидкостей в теплообменниках. Характер изменения темпе ператур рабочих жидкостей при прямотоке (а) и противотоке (б). Если жидкости протекают параллельно, но в прямо противополож­ном направлении,— противотоком (рис. 8-1,6). Наконец, если жидкости протекают в перекрестном направлении,— перекрестным током (рис. 8-1, в). Помимо таких простых схем движения, на практике осуществляются и сложные: одновременно прямоток и противоток (рис. 8-1, г), многократно перекрестный ток, (рис. 8-1, д—ж) и т. д. В зависимости от того, осуществляется ли прямоток или проти­воток и W1 больше или меньше, чем W2, получаются четыре ха­рактерные пары кривых изменения температуры вдоль поверхно­сти нагрева, представленные на рис. 8-2. Здесь по осям абсцисс от­ложена площадь поверхности нагрева F, а по осям ординат — тем­пература рабочих жидкостей. В соответствии с уравнением (8-5) на графиках большее изме­нение температуры t'—t" = δt получается для той жидкости, у которой значение величины W меньше. Из рассмотрения графиков следует, что при прямотоке конеч­ная температура холодной жидкости t"г всегда ниже конечной тем­пературы горячей жидкости t. При противотоке же конечная тем­пература холодной жидкости t" может быть выше конечной темпе­ратуры горячей t. Следовательно, при одной и той же начальной температуре холодной жидкости при противотоке ее можно нагреть до более высокой температуры, чем при прямотоке. Температурный напор вдоль поверхности при прямотоке изме­няется сильнее, чем при противотоке. Вместе с тем среднее значе­ние температурного напора при противотоке больше, чем при пря­мотоке. За счет только этого фактора при противотоке теплообмен­ник получается компактнее [см. урав­нение (8-3)]. Однако если темпера­тура хотя бы одной из рабочих жид­костей постоянна, то среднее значение температурного напора независимо от схемы движения оказывается од­ним и тем же. Так именно получается при кипении жидкостей и при кон­денсации паров, либо когда расход одной рабочей жидкости настолько велик, что ее температура изменяется очень мало. Рассмотрев общие уравнения теплового расчета аппаратов и уяснив температурные условия работы теплообменников, перейдем теперь к более подробному рассмо­трению величин, входящих в урав­нение (8-3). 2. Средний температурный напор. При выводе формулы осред­нения температурного напора рассмотрим простейший теплообменный аппарат, работающий по схеме прямотока. Количество теплоты, передаваемое в единицу времени от горячей жидкости к холодной через элемент поверхности dF (рис. 8-3), определяется уравнением dQ = k(t1-t2) dF При этом температура горячей жидкости понизится на dt1, а температура холодной повысится на dt2, dQ=-G1cp1dt1= G2cp1dt2 откуда: dt1=-dQ/G1cp1 = - dQ/W1 dt2= dQ / G2cp2 = dQ/W2 Изменение температурного напора при этом dt1-dt2=d(t1-t2) = - (1/W1+1/W2)dQ= - m dQ m= 1/W1+1/W2 Подставляя значения dQ окончательно получим : для прямотока Δt = [(t11 –t12) - (t111 –t112)] / ln [(t11 –t12) / (t111 –t112)] Для противотока Δt = [(t11 –t112) - (t111 –t12)] / ln [(t11 –t112) / (t111 –t12)] Коэффициент теплопередачи обычно производят по температурам рабочих жидкостей в начале и конце поверхности нагрева по известным формулам 1. Регенеративные аппараты. Регенеративными называются та­кие теплообменные аппараты, в которых процесс теплопередачи от горячего теплоносителя к холодному во времени разделяется на два периода. В течение первого периода через аппарат протекает горячий теплоноситель, теплота которого передается стенкам и в них аккумулируется. При этом теплоноситель охлаждается, а стенки аппарата нагреваются — это так называемый период на­гревания. В течение второго периода через аппарат протекает холодный теплоноситель, который отнимает аккумулированную в стенках теплоту. При этом теплоноситель нагревается, а стенки охлаждаются — это период охлаждения. Таким образом, в регенеративных аппаратах горячий и холод­ный теплоносители протекают в одном и том же канале и попере­менно омывают одну и ту же поверхность нагрева. В регенератив­ных аппаратах процесс теплопередачи нестационарен. По мере нагревания и охлаждения температура стенки меняется.. Вместе с изменением температуры стенки, конечно, изменяется во времени и температура жидкости (за исключением температуры ее на входе в аппарат). Кроме изменения во времени все температуры в регенераторах изменяются также и вдоль по­верхности нагрева. Пусть имеется регенератор для подогрева воздуха: внутренняя насадка для аккумуляции теплоты состоит из кирпича и образует прямые каналы (рис. 8-9, а). Горячие газы движутся сверху вниз, а холодный воздух – снизу вверх. При таком сложном распределении температур и изменении температурного напора во времени и в пространстве точный тепловой расчет весьма затруднителен. Однако если воспользоваться средними температурными напорами за цикл, то тепловой расчет регенеративных аппаратов можно свести к расчету рекуперативных. При этом в качестве расчетного интервала времени берется длительность цикла τ0 =τ1 + τ2 , и уравнение теплопередачи имеет вид: Q= kц (t1- t2), где kц коэффициент теплопередачи цикла kц = ε k / {1 /(α1 τ1) + 1/ (α2 τ 2)} где ах — суммарный коэффициент теплоотдачи за период нагрева­ния (с учетом излучения газов); а2 — суммарный коэффициент теплоотдачи за период охлаждения; τ1 и τ2 — период нагревания и охлаждения; ε k = 0,8 — поправочный коэффициент, учитывающий то обстоятельство, что средние температуры поверхности за период нагревания и период охлаждения не равны между собой. Регенера­торы, для которых гк = 1, называются идеальными. Дальнейший расчет регенераторов может быть произведен по формулам, выведенным выше для рекуперативных теплообменных аппаратов. Регенеративные аппараты применяются главным образом в та­ких отраслях промышленности, где температура уходящих газов высока и требуется высокий подогрев воздуха (например, доменное, мартеновское, коксовальное, стеклоплавильное и другие произ­водства). В качестве аккумулирующей насадки обычно берется шамотный или силикатный кирпич, который укладывается или в виде сплошных каналов, или с промежутками в коридорном по­рядке, или с промежутками в шахматном порядке, кроме того, в ка­честве насадки применяются металлические листы, алюминиевая фольга и пр. Работа регенераторов зависит от многих факторов, в частности, от толщины насадки, ее теплопроводности и аккумулирующей спо­собности, от длительности периодов, температуры жидкостей, сте­пени засорения и др. Длительность периодов бывает различной — от нескольких минут до нескольких часов. Наиболее часто τ1 — = τ2 — 0,5 ч (τ0 = 1 ч). Для выбора толщины насадки также имеются широкие возможности, но для каждого аппарата имеется своя наивыгоднейшая толщина; для обыкновенных силикатных регенераторов с получасовым переключением наиболее благоприят­ной является толщина кладки 40—50 мм. В практических расчетах коэффициент теплопередачи цикла иногда определяется из соотношения 1/kц =1/ α1 τ1 + 1/ α2 τ2 + 0,4 ( 2/ (с δ ρ) + δ / (2 λ τ0 ) где с — теплоемкость; р — плотность; λ — коэффициент тепло­проводности; δ — толщина кирпича. Коэффициент теплоотдачи соприкосновением для дымовых га­зов и воздуха при движении их в коридорной насадке может быть определен по формуле α = 8,8 wo0,8 / d0,33 где wo — скорость газа или воздуха при нормальных условиях (0°С и « 1,01-105 Па); d — диаметр канала. В случае шахматного размещения насадки коэффициент тепло­отдачи на 16 % выше, чем по формуле . Для суммарного ко­эффициента теплоотдачи необходимо еще определить значение ко­эффициента теплоотдачи излучением. В действительных условиях коэффициент теплопередачи может изменяться вследствие наличия догорания газов в регенераторах, засорения их летучей золой и др. Очень большое влияние на ра­боту аппаратов оказывает также неравномерное распределение газов и неполное омывание поверхности нагрева. На электростанциях регенеративный принцип теплопередачи нашел применение в виде воздухоподогревателя, который одной своей половиной соединяется с газоходом, а другой — с воздухо­проводом. Аккумулирующая насадка здесь собирается из профиль­ных железных листов с узкими проходами для газов и воздуха и монтируется так, что может вращаться. Через одну часть насадки протекают горячие газы (период нагревания), через другую, — холодный воздух (период охлаждения). Вследствие вращения насадка непрерывно перемещается; та часть, которая в настоящий момент нагревается газом, в следующий момент передвигается в воздушный поток и охлаждается. Таким образом, устройством вращающейся насадки в воздухонагревателе оригинально разрешен вопрос одно­ временного и непрерывного движения воздуха и газов через один и тот же регенеративный аппарат. 2. Смесительные аппараты. Смесительными называются такие теплообменники, в которых теплопередача между горячей и холод­ной жидкостями осуществляется путем их непосредственного со­прикосновения и перемешивания. Такие аппараты имеют довольно широкое распространение и применяются главным образом для охлаждения и нагревания газов при помощи воды или охлаждения воды при помощи воздуха. В частности, они применяются в газо вом производстве, при кондиционировании воздуха, при охлажде­нии воды в градирнях, при конденсации пара и т. д. (рис. 8-11). Одним из определяющих факторов в работе смесительных теп­лообменников является поверхность соприкосновения, С этой целью жидкости обычно разбрызгиваются на мелкие капельки. Однако степень дробления в каждом случае должна выбираться в соответствии с конкретными условиями работы аппарата. Чем мельче капли, тем больше поверхность соприкосновения, но вместе с этим меньше и скорость падения капли. При этом и скорость газа должна быть мала; в противном случае капли будут лишь витать или уноситься с воздухом. Поэтому степень разбрызгивания воды должна быть в соответствии со скоростью воздуха и производитель­ностью аппарата. В смесительных теплообменниках наряду с процессом теплооб­мена имеют место и процессы массообмена. Например, при сопри­косновении с водой сухого газа происходит испарение воды в газ, т. е. увлажнение газа. При смешивании с водой газа с большим со­держанием водяного пара происходит конденсация пара или осушка газа. При расчете смесительных аппаратов обычно пользуются уста­новленными из практики нормами допустимой нагрузки единицы объема. Однако опыт показывает, что работа и производительность таких аппаратов в большой мере зависят от степени использования объема. Путем равномерного распределения газа по сечению аппарата можно резко повысить его производительность или со­кратить размеры. С целью обеспечения большей поверхности соприкосновения рабочих жидкостей аппараты часто загружаются кусковым мате­риалом, например коксом, кольцами Рашига или деревянными ре­шетками. Поверхностью теплообмена является жидкостная пленка, которая образуется на поверхности кусковой насадки. Такие аппа­раты называются скрубберами; они широко применяются в хими­ческой промышленности. Для случая охлаждения воздуха водой в скруббере Н. М. Жаворонков получил обобщенную зависи­мость Кi = 0,01 Rе г 0,77 Rеж 0,7 Рг0,33 где Кi = k d экв — число Кирпичева; Rе г = 4 w V / νг F — число Рейнольдса для газов; Rеж = G dэкв / νж — число Рейнольдса для жидкости; Ргг = νг 1аг— число Прандтля для газов; к — коэффи­циент теплопередачи, численное значение которого определяет собой условия теплообмена между газом и жидкостью; w0 — ско­рость воздуха по свободному сечению аппарата; С — интенсивность орошения, м3/(ма-с); d экв = 4V/F — эквивалентный диаметр; V — свободный объем насадки, м3/м3; F — площадь поверхности на­садки в единице объема, м2/'м3. Аналогичные зависимости могут быть получены и для других аппаратов. Лекция 8. Тепловые вопросы проектирования и функционирования печей Огнеупорные и теплоизоляционные материалы. Классификация, свойства. Классификация печей по принципу теплогенерации, технологическому назначению и конструк­тивным признакам. Конструкции печей, используемых в основных переделах черной и цветной металлургии. Расчет и конс­труирование футеровки для плавильных и термических печей литейных цехов Классификация печей: Генерация теплоты в печи происходит путем превращения химической или электрической энергии в теплоту. В зависимости от источника тепловыделения печи делятся на топливные, автогенные и электрические. Топливные печи. В топливных печах источником теплоты является химическая энергия твердого, жидкого или газообразного топлива. Теплота выделяется в результате сгорания топлива. Теплоносителями являются газообразные продукты сгорания топлива – дымовые газы. Топливные металлургические печи подразделяются на два класса: пламенные и слоевые. Рабочее пространство пламенных печей в малой степени заполнено обрабатываемым материалом, который располагается на поду. Основной объем рабочего пространства заполнен пламенем и дымовыми газами, передающими теплоту материалу. Современные пламенные печи работают на газообразном или на жидком топливе – мазуте. Для сжигания газообразного топлива служат горелки, для сжигания мазута – форсунки. К классу пламенных печей относятся сталеплавильные (мартеновские) печи, разнообразные печи прокатного и кузнечно-прессового производства: нагревательные колодцы, методические, кольцевые, роликовые печи, печи с выкатным подом. Известны три разновидности слоевых топливных печей: с плотным, "кипящим" и со взвешенным слоем обрабатываемого материала. В вертикальных шахтных печах с плотным слоем шихта, в состав которой может входить и твердое кусковое топливо, расположена по всему объему печи и медленно опускается сверху вниз. Горячие газы – продукты горения топлива – движутся через слой между кусками шихты снизу вверх, т.е. в противотоке. Шахтные печи с плотным слоем шихты широко распространены в металлургии. К ним относятся доменные печи, вагранки, печи для производства извести путем обжига известняка. В печах с "кипящим" слоем под действием движущихся снизу вверх газов размельченная шихта, в состав которой может входить и размельченное топливо, разуплотняется. Отдельные частицы шихты потоком газов поднимаются над слоем подобно кипящей жидкости. Иногда вместе с воздушным дутьем снизу в печь подают газообразное топливо. В основном эти печи используют в цветной металлургии для обжига и сушки материалов. В печах со взвешенным слоем обрабатывают материалы, доведенные до пылевидного состояния. Каждая частица материала находится во взвешенном состоянии под действием потока газов, идущего снизу вверх, и движется вместе с потоком. Применяют в этих печах размолотое и газообразное топливо. В основном эти печи используют в цветной металлургии для плавки сульфидов цветных металлов. Автогенные печи. Источником теплоты в этих печах является тепловой эффект экзотермических реакций окисления и горения ряда элементов, содержащихся в обрабатываемых материалах. В черной металлургии примером автогенных печей являются кислородные, сталеплавильные конвертеры и двухванные сталеплавильные печи. В них при продувке жидкого чугуна кислородом происходит окисление углерода и ряда других элементов с выделением теплоты. Этот процесс не требует расхода топлива. В мартеновской печи, наряду с выделением теплоты сгорания топлива, происходит тепловыделение от окисления углерода и других элементов, содержащихся в жидкой ванне. Такие печи занимают промежуточное положение между топливными и автогенными печами. Электрические печи. По способу преобразования электрической энергии в теплоту можно выделить три класса печей, применяемых в металлургии: электродуговые, индукционные и печи сопротивления. В дуговых печах используется принцип пропускания электрического тока через газовый промежуток между двумя электродами. Под действием электрического напряжения газ между электродами ионизируется и становится электропроводным. При этом в газовом промежутке возникает электрическая дуга, представляющая собой яркосветящуюся смесь электронов, положительных ионов, атомов и молекул. Дуга является зоной, в которой энергия электричества преобразуется в теплоту, при этом температура дуги составляет от 3000 до 20000 К. В индукционных печах используется свойство переменного электрического тока создавать вокруг проводника переменное магнитное поле. Если поместить в такое поле нагреваемое тело, являющееся проводником, то в нем будут индуктироваться вихревые токи. Энергия вихревых токов преобразуется в теплоту, которая выделяется внутри нагреваемого тела. Работа так называемых печей сопротивления основана на действии закона Джоуля-Ленца, согласно которому при протекании тока в проводнике выделяется теплота, пропорциональная его электрическому сопротивлению. В печах сопротивления можно использовать постоянный и переменный ток. В металлургии электрические печи применяют для выплавки стали, производства ферросплавов, для нагрева металла перед обработкой давлением и при термической и термохимической обработке металлоизделий. Классификация печей по технологическому назначению и по режиму работы По технологическому назначению металлургические печи разделяют на плавильные и нагревательные. Плавильные печи служат для получения и переплавки металлов. В этих печах материалы, как правило, изменяют своё агрегатное состояние. Плавильные печи могут быть чугуноплавильными, сталеплавильными, медеплавильными и т.д. Нагревательные печи служат для нагрева материалов без изменения их агрегатного состояния. Нагревательные печи применяют в металлургии для обжига огнеупорных изделий, известняка, магнезита, для сушки материалов, для придания металлу пластических свойств перед обработкой давлением, для термической обработки металла с целью изменения его структуры и механических свойств. По режиму работы печи можно разделить на два класса: непрерывного и периодического (циклического) действия. К печам непрерывного действия относятся рудовосстановительные дуговые печи, шахтные слоевые печи, такие печи прокатного производства, как методические печи с шагающими подом или балками, кольцевые и роликовые печи. В этих печах технологический процесс идет непрерывно, материалы, как правило, перемещаются от загрузочных устройств к устройствам для выпуска готовой продукции. К печам периодического действия относятся сталеплавильные дуговые и мартеновские печи, конвертеры, нагревательные колодцы, садочные камерные печи с выкатным и с неподвижным подом, применяемые в кузнечно - прессовом производстве и в термических печах и отделениях. Эти печи работают циклами. Цикл состоит из последовательных операций загрузки шихты или изделий, их тепловой обработки и затем выпуска или выгрузки готовой продукции. Огнеупорные материалы – изделия на основе минерального сырья, отличающиеся способностью сохранять свои свойства в условиях эксплуатации при высоких температурах, и которые служат в качестве конструкционных материалов и защитных покрытий. Сырье для огнеупорных материалов - простые и сложные оксиды (например, SiO2, A12O3, MgO, ZrO2, MgO-SiO2), бескислородные соединения (например, графит, нитриды, карбиды, бориды, силициды), а также оксинитриды, оксикарбиды, сиалоны. Для изготовления огнеупоров используют разнообразные технологии и  процессы. Преобладающей является технология, включающая предварительную, тепловую обработку и измельчение компонентов, приготовление шихт с добавлением пластифицированных составляющих, формование из них изделий прессованием на механических и гидравлических прессах или экструзией с последующей допрессовкой или литьем, обжиг в туннельных, реже в периодических и газокамерных печах для получения заданных свойств материала. Эксплуатационные свойства огнеупорных материалов определяются комплексом химических, физико-химических и механических свойств. Основное свойство огнеупорных изделий - огнеупорность, т.е. способность изделия противостоять, не расплавляясь, действию высоких температур. Огнеупорность характеризуется температурой, при которой стандартный образец из материала в форме трехгранной усеченной пирамиды высотой 30 мм и сторонами оснований 8 и 2 мм (конус Зейгера) размягчается и деформируется так, что его вершина касается основания. Определенная таким образом температура обычно выше максимально допустимой температуры эксплуатации огнеупорных материалов. Различают: - собственно огнеупорные материалы (огнеупорность 1580-1770 °С); - высокоогнеупорные (1770-2000 °С); - материалы высшей огнеупорности (выше 2000 °С). Огнеупоры могут быть общего назначения и для определения тепловых агрегатов и устройств, например, доменные, для сталеразливных ковшей и т.д., что указывается в нормативно-технической документации. Формованные и неформованные огнеупорные материалы Огнеупорные изделия могут быть формованными и неформованными. Неформованные огнеупоры - огнеупоры, изготовленные без определенных форм и размеров в виде кусковых, порошковых и волокнистых материалов, а также паст и суспензий. Неформованные огнеупорные материалы обычно упрочняют введением минеральных (например, жидкое стекло) или органических (полимеры) связующих. К ним относят металлургические заправочные порошки, заполнители и мелкозернистые компоненты для огнеупорных бетонов, огнеупорные цементы, бетонные смеси и готовые к применению массы, мертели, материалы для покрытий (в т.ч. торкрет-массы), некоторые виды волокнистых огнеупоров. Неформованные огнеупоры могут быть сухими, полусухими, пластичными и жидкотекучими. Неформованные огнеупоры применяют для выполнения и ремонта футеровок сталеразливочных ковшей (набивные и наливные кремнеземные, высокоглиноземные и магнезиальные массы); конвертеров (торкрет-массы), нагревательных и обжиговых печей (шамот, и высокоглиноземные массы), индукционных печей (корундовые и периклазовые массы), коксовых печей (обмазки), подин мартен, и электродуговых печей (заправочные порошки) и т. д. Формование огнеупорных материалов проводят методами полусухого и горячего прессования, пластического формования, литья (вибролитья) из текучих масс или расплава материала, а также распилом предварительно изготовленных блоков или горных пород. Формованные огнеупоры применяют для изготовления огнеупорных кладок стен, сводов, подов и других конструкций коксовых, мартеновских и доменных печей, печей для выплавки различных сплавов, при футеровке ядерных реакторов, МГД-генераторов, авиационных и ракетных двигателей; неформованные - для заполнения швов при кладке формованных огнеупоров, нанесения защитных покрытий на металлы и огнеупоры. По характеру термической обработки различают безобжиговые и обожженные огнеупорные материалы. Безобжиговые огнеупоры - изделия из огнеупорных материалов и связки, приобретают требуемые свойства при сушке < 400°С (после нагрева изделий от 400 до 1000°С их называют термообработанными). Связкой могут быть глины, керамические суспензии, растворы фосфатов, щелочные силикаты (жидкое стекло), смолы термопластичные и термореактивные, эластомеры и другие безобжиговые огнеупоры по прочности и пластичности не уступают, а по термостойкости превосходят обожженные огнеупоры. Наиболее широко применяют следующие безобжиговые огнеупоры: кремнеземистые бетонные блоки (для нагревательных колодцев), шамот и высокоглиноземные (для обжиговых агрегатов), магнезиальноизвестковые на смоляной (пековой) связке (для сталеплавильных конвертеров) периклазовые и периклазохромитовые (для сталеразливочных стаканов), магнезиальные в стальных кассетах. Для обожженных огнеупорных материалов температура обжига превышает 600 °С и определяется достижением необходимых физико-химических свойств материала. Обжиг огнеупорных материалов проводят в плазменных или электрических печах периодического или непрерывного действия - камерных, кольцевых, туннельных, шахтных и др. Другие важные свойства огнеупорных материалов - пористость, термическая стойкость, теплопроводность, температура начала деформации под нагрузкой и химическая стойкость в различных средах. По пористости (объемной доле пор в %) различают: - особоплотные огнеупорные материалы (пористость менее 3%), - высокоплотные (3-10%), - уплотненные (16-20%), - материалы повышенной пористости (20-30%), - легковесные (45-75%) - огнеупоры с высокой (45-85%) пористостью. В зависимости от сырья изготовления, бывают шамотными, динасовыми, глиноземными и другими. - ультралегковесные (75-90%), к которым обычно относят волокнистые огнеупорные материалы. По химико-минеральному составу огнеупоры делят на типы (кремнеземистые, алюмосиликатные, глиноземистые, глиноземоизвестковые, магнезиальные, известковые, хромистые, цирконистые, оксидные, углеродистые, карбидкремниевые и бескислородные), на типы на группы. При композиционном составе в наименовании огнеупоров на первое место ставится преобладающий компонент (например, периклазохромитовые и хромитопериклазовые). Алюмосиликатные огнеупорные материалы Алюмосиликатные огнеупоры (alumina-silica refractories) - огнеупоры, изготовленные преимущественно из А12О3 и SiO2. В зависимости от количества содержания А12О3 такие огнеупоры бывают: - полукислые (содержание А12О3 - от 14 до 28%); - шамотные (содержание А12О3 - от 28 до 45%); - высокоглиноземистые (содержание А12О3 - от 45 до 95%). Полукислые огнеупоры - алюмосиликатные огнеупоры с массовой долей А12О3 от 14 до 28 %. Их свойства позволяют использовать такие огнеупоры только на малозначимых участках футеровки коксовых печах и в некоторых других сталелитейных агрегатах, но как противопожарная изоляция, этот вид огнеупоров имеет большие перспективы. Шамотные огнеупорные материалы Шамотные огнеупоры – содержат в совеем составе 28-45% А12О3 и 50-70 SiO2. Технология производства формованных шамотных огнеупоров включает: обжиг глины (каолина) при 1300-1500°С во вращающихся или шахтных печах, измельчение полученного шамота, смешивание со связующей глиной и водой (иногда с добавлением других связующих материалов), формование, сушку и обжиг при 1300-1400°С. Шамотные огнеупоры применяют для футеровки доменных печей, сталеразливочных ковшей, нагревательных и обжиговых печей, котельных топок и др., а также для изготовления сифонных изделий для разливки стали. Неформованные шамотные огнеупоры изготовляют из измельченного шамота и связующих материалов и применяют в виде мертелей, набивных масс, порошков, заполнителей бетонов при выполнении и ремонте огнеупорных футеровок разных тепловых агрегатов. Отличительной особенностью высокоглиноземистых огнеупорных изделий является повышенное содержание Al2O3, которое превышает 45%. Огнеупорность высокоглиноземистых изделий составляет порядка 1750 °С и выше. В сумме с высокой температурой начала размягчения и повышенной химической стойкостью против кислых и щелочных расплавов позволяет использовать их в основных тепловых агрегатах металлургической промышленности. Наиболее распространенными агрегатами для применения высокоглиноземистых огнеупорных изделий являются: верхняя часть стен и купола воздухонагревателей, кладке лещади и горна в доменных печах, при непрерывной разливке стали; в печах с рабочей температурой 1400°C—1500 °С, сталеразливочные ковши при обработке стали вакуумированием, как заполнители огнеупорных бетонов, мертелей и т.п. Эти огнеупорные изделия бывают трех видов: - Муллитокремнеземистые (А12О3 - 45-62%), МКР, имеют шамотную основу из глин и бокситов; характеризуются содержанием Аl2О3 до 62%. Они производятся методом плавки в электрической печи оксидов алюминия и кремния. - Муллитовые (А12О3 -62-72%); - Муллитокорундовые (А12О3 - 72-90%) МК, так же, как и МЛ, имеют основу из глиноземов, маложелезистых бокситов и электрокорундов. Высокоглиноземистые корундовые огнеупоры. К ним относятся огнеупоры, содержание А12О3 в которых >95%.  Для изготовления такого огнеупора используют порошок электроплавкого корунда и технический глинозем. После формировки его обжигают при температуре 1600 °C – 1750 °C. Огнестойкость получаемого материала позволяет использовать его в процессах с температурой 1750 °C – 1800 °C, корундовый огнеупор способен устойчиво контактировать с жидким металлом и шлаками, кислотами, щелочами и расплавленным стеклом. Из корундовых огнеупоров изготовляют корундовые плиты для шиберных затворов сталеразливочных ковшей, изделия для футеровки камер вакууматоров стали, насадки высокотемпературных воздухонагревателей, чехлы термопар, тигли для плавки стекол, металлов и др. Неформовованные корундовые огнеупоры - мертели и бетоны с корундовым заполнителем применяют для футеровки патрубков вакууматоров стали, а массы и обмазки - для изгототовления и ремонта огнеупорных футеровок с рабочей температурой > 1700°С. Волокнистые огнеупоры (fibrous refractories) - теплоизоляционные, состоящие из волокон огнеупоры в виде формованных (плиты, блоки, листы и др.) с неорганической или органической связкой и неформованных (вата, войлок и др.) изделий. Волокнистые огнеупоры изготовляют преимущественно из высоко-глиноземного и глиноземного стекловолокна и из корундового, поликристалличического волокна, а также из ZrO2 и др. оксидов. Волокнистые огнеупоры применяют для теплоизоляции и футеровки тепловых агрегатов, а также для заполнения компенсационных швов. Динасовые огнеупоры - содержат > 93% SiO2 или 80-93% SiO2 (при изготовлении с добавками) и изготовливаются из кварцитов. В порошок кварцита добавляют известковое молоко и железистые добавки, формуют на прессах изделия задан, размеров и обжигают при 1430-1460°С. Динасовые огнеупоры применяют для футеровки коксовых, стекловар, печей, воздухонагревателей, а также ряда плавильных агрегатов в ЦМ и др. Неформованные динасовые огнеупоры - мертели, материалы для обмазок и т.п. изготавливают из молотых боя динас, огнеупоров и кварцитов, применяют при выполнении и ремонте кладки. 1. Известковопериклазовые (доломитовые) – огнеупорные изделия, изготовленные из доломита, в т.ч. с добавлением периклазового порошка с массовой долей MgO - 10-50% и СаО - 45-85%. Известковопериклазовые огнеупорные изделия устойчивы при взаимодействии с основными шлаками. Используют неформовованные известковопериклазовые огнеупоры (массы из обожженного доломита со связкой) для набивки блочных и монолитных футеровок электросталеплавильных печей, конвертеров, сталеразливочных ковшей и др. 2. Безобжиговые известковопериклазовые – огнеупорные изделия, изготовленные на основе SiC (> 70%). Безобжиговые известковопериклазовые огнеупорные изделия изготавливают формованием порошков обожженного доломита на органической связке (каменноугольная смола, пекбез или с термической обработкой при 300-600°С); огнеупорность их > 2000°С. Изготовляют также известковопериклазовые изделия, обожженные при 1500-1750°С и сохранившие частично свободные СаО. 3.Карбидкремниевые – огнеупорные изделия с количеством SiC > 70%. Карбидкремниевые огнеупоры применяют для изготовления муфелей, рекуператоров, чехлов термопар и др.; футеровки электрических нагревательных колодцев, агрегатов производства цинка и алюминия, циклонов трубопроводов и т.п. Карбидкремниевые огнеупоры на нитридной и оксинитридной связке используют также для футеровки нижней части шахты домен, печей. Неформованные карбидкремниевые огнеупорные изделия применяют для покрытий щитовых экранов котельных топок, в виде мертелей и масс при выполнении огнеупорной кладки. Магнезиальные огнеупорные материалы Магнезиальные огнеупоры (magnesia refractories) – огнеупорные изделия, содержащие в основе MgO. Их изготовляют из смеси обожженных и сырых материалов, которые после добавки связки проходят термообработку при температуре 1500-1900°. Такие огнеупоры обладают высокой огнестойкостью, что позволяет применять их в процессах, связанных с расплавом металла и шлаками, а также при футеровке агрегатов металлургии. Магнезиальные огнеупорные изделия имеют высокую стойкость при взаимодействии с расплавами металлов и основных шлаков. Магнезиальные огнеупорные изделия бывают трех видов: Магнезиальносиликатные огнеупоры - их основу составляет форстерит Mg2SiO4, к которому добавлены 50-60% MgO, 25-40% SiO2 и связующая добавка. Магнезиальносиликатные огнеупоры формуют со связующей добавкой и обжигают при 1450-1550°С (или используют без обжига). Основные свойства магнезиальносиликатных огнеупоров: пористость открытая 22-28%, температуpa начала размягчения под нагрузкой - до 1610-1620°С. Магнезиальносиликатные огнеупоры применяют для футеровки насадок регенераторов мартенов, и стекловарных печей, сталеразливочных ковшей (в т.ч. в виде набивных масс), плавильных агрегатов ЦМ, а также для изготовления сталеразливочных стаканов и др. Неформованные магнезиальносиликатные огнеупоры могут применяться как добавка в металлургических порошках. Магнезиальношпинелидные огнеупоры имеют в своем составе периклиз и хромшпинелид MgO. Обжигаемые при температуре 1700-1850°С, периклазохромитовые огнеупоры имеют в своем составе более 60% MgO, и от 5 до 20% Cr2O3. Для получения нужных характеристик огнеупора необходим чистый, более 96%, MgO, а также концентраты хромита. К магнезиальношпинелидным огнеупорам (также относят: хромитопериклазовые, изготовляемые из смеси периклазового порошка с хромитовой рудой и содержащие 40-60% MgO и 15-35% Сг2О3; периклазошпинельные (> 40% MgO и 5-55% А12О3), шпинельные, состоящие в основном из шпинели состава MgO o А1203 и хромитовые огнеупоры (> 30 % Сг2О3 и < 40% MgO). Такие огнеупоры используют в самых ответственных местах металлургических агрегатов: в сталелитейных печах при футеровке сводов, в горловинах и летках кислородных конвертеров, в сталелитейных ковшах, в высокотемпературных печах. Стоимость магнезиальношпинелидных огнеупоров более низкая, чем магнезиальношпинелидных периклазохромитовых, поэтому первые применяются на менее ответственных участках металлургических агрегатов. Магнезитоизвестковые - изготовляются из прошедшего обжиг доломита или из составов, в которые входят окислы магния и кальция. Такие огнеупоры служат для футеровки конвертеров. Другие огнеупорные материалы Периклазовые огнеупоры (periclase (mag-nesite) refractories) - магнезиальные огнеупоры, содержащие > 85% MgO. Их изготовляют из периклазового порошка с добавлением клеящей связки обжигом при 1600-1900°С; для безобжиговыех периклазовых огнеупоров используют связки из лигносульфонатового сульфата магния и др. Периклазовые огнеупорные изделия применяют для футеровки стенок мартеновских печей, миксеров, печей для плавки меди и никеля, высокотемпературных нагревательных печей, леток кислородных конвертеров и др., а также в виде плит шиберных затворов сталеразливочных ковшей, стаканов для разливки сталей, пористых фурм для продувки стали газами и т.п. Неформованные периклазовые огнеупоры используют для изготовления мертеля, металлургических (заправочных) порошков, набивных масс для вакууматоров стали, индукционных печей и др. Периклазоуглеродистые огнеупоры - огнеупоры, изготовленные из периклазового порошка с добавлением 6-25% природного или искусственного графита и органической связки (например, фенольной порошкообразной с этиленгли-колем или бакелита).производятся из спеченного и плавленного периклаза с добавлением 6-25% графита (натурального или искусственного) и органической связки (например, фенольной с этиленгликолем или бакелита). Периклазоуглеродистые огнеупоры используются в промышленности для футеровки агрегатов, подающих газ в конвертерах со смешанной продувкой, а также участков стен мощных электродуговых печей. Широко применяются периклазоуглеродные огнеупоры и в производстве шиберных затворов, а также шлакового пояса электродуговых печей и сталеразливочных ковшей. Алюмопериклазовые огнеупоры сочетают в себе качества углеродсодержащих и высокоглиноземистых огнеупоров. Хорошая термостойкость последних (более высокая, чем у огнеупоров основного состава) повышена введением углеродного компонента. Алюмопериклазовые огнеупоры изготавливаются с использованием корунда, плавленого или спеченного периклаза, алюмомагнезиальной шпинели, высококачественных спеченных бокситов и крупночешуйчатого графита с различными функциональными добавками. Содержание Al2O3 в них превышает 73%. Данный вид огнеупорных изделий предлагается как альтернатива к периклазоуглеродистым и высокоглиноземистым огнеупорам, в случае если их стойкость не удовлетворяет техническим условиям. Они используются при футеровке сталеразливочных ковшей и кислородных конвертеров. Периклазохромитовые  изделия содержат > 60% MgO и 5-20% Сг2О3. Периклазохромитовые огнеупоры формуют и обжигают при 1700-1850°С. Для высококачественных периклазохромитовых огнеупорных изделий  используют MgO чистотой > 96% и концентраты хромита. Данный вид огнеупоров характеризуется высокой термостойкостью и стойкостью к фаялитовому шлаку. Они производятся из спеченного и плавленного периклаза с добавлением хромитовой руды. Содержание магнезита колеблется от 65 до 83%, хромита – от 17 до 35%.  Хромитопериклазовые огнеупоры используются в цветной металлургии для кладки высокотемпературных печей, в печахвзвешенной плавки и обеднения шлаков, для футеровки отражательных печей, конвертеров. Хромитопериклазовые огнеупорные материалы применяются также в средней части насадок регенераторов, работающих при температурах 700—1100°С. Смоломагнезитовые огнеупоры (tar-magnesite refractories) - формованные на прессах изделия из порошка обожженного доломита (крупность зерен до 6-8 мм), смешанного при нагревании до 100-120°С с 4-6% каменноугольной смолы или пека. Смолодоломитовые огнеупорные изделия имеют кажущуюся плотность 2800-2900 кг/м3, предел прочности при сжатии 2000-4000 МПа, устойчивы против основных шлаков. При добавке в массу магнезитового порошка изделие называются смолодоломитомагнезитовыми. Основная область применения смолодоломитового огнеупора - футеровка кислородных конвертеров. Оксидные огнеупоры (oxide refractories) – огнеупорные изделия, содержащие > 97% высокоогнеупорных оксидов (BeO, MgO, CaO, A12O3, Cr2O3, ZrO2, ThO2 и др.) или их соединений и твердых растворов. Формованные оксидные огнеупоры изготовляют преимущественно из тонкозернистых порошков прессов, или литьем из суспензий с последующим обжигом, а неформованные оксидные огнеупоры - измельчением оксидов, обычно после предварительного обжига и введения необходимых добавок. Выпуск оксидных огнеупорных материалов не ограничивается только неформованным материалом, состоящим на более чем 97% из высокоогнеупорных оксидов BeO, A12O3, CaO,Cr2O3 и других компонентов. Этот огнеупор производится и в виде изделий, которые формируются из порошков или суспензий под давлением. Такие огнеупоры в виде технической керамики применяются в качестве корпусов для измерительных приборов, контролирующих температурный, кислородный и другие режимы литейного процесса, а также для тиглей, вкладышей на разливе стали и в других областях. В металлургии оксидные огнеупоры применяют в виде изделий из технической керамики для аппаратуры при измерении высоких температур, датчиков контроля масс, доли кислорода в стали, тиглей для лабораторных плавильных печей, вкладышей в разлив, устройствах и др. Углеродосодержащие огнеупоры (carbon refractories) - огнеупоры, состоящие преимущественно из свободного углерода или содержащие углерод в качестве основного компонента. Углеродосодержащие огнеупоры отличаются высокой теплопроводностью, низким ТКЛР, хорошей стойкостью при взаимодействии с расплавами металлов и шлаками. К этому виду огнеупорных изделий относятся: - угольные, а также графитированные блоки, которые производятся из смеси кокса, термоантрацита, в качестве связующего применяются каменноугольная смола, битум, антрацитовое масло. Температура обжига таких блоков - 1100-1450°С. - графитированные изделия, выпускаемые из нефтяного кокса. Такие огнеупоры имеют графитовую структуру и низкое содержание золы. Температура обжига таких изделий - более 2000°С. - пирографит, который получают в результате распада углеродосодержащего газа на поверхности с высокой температурой. Углеродистые огнеупоры применяют для футеровки нижнего строения домен, печей, электротермических печей, агрегатов для плавки свинца, меди и др., а также для изготовления погружных стаканов, стопоров-моноблоков, вкладышей для изложниц, тиглей для плавки цветных металлов и др. Неформованные углеродистые огнеупоры из коксрвых порошков на каменноугольной смоле применяют для заполнения швов кладки, углеродсодержащие - для футеровки желобов домен, печей и др. Цирконистые огнеупоры (zircon/zirconia refractories) – огнеупорные изделия, на основе бодделеита ZrO2 (67,1 % ZrO2) и циркона (ZrSiO4). Цирконистые огнеупоры отличаются высокой огнеупорностью (до 2600°С), хорошей стойкостью при взаимодействии с расплавами металлов и шлаков, высокой прочностью при 2200-2400°С и высокой термостойкостью. Высокоплотную керамику из ZrO2 применяют в виде чехлов термопар, фильтров для сплавов, а также нагревательных элементов при температуpax до 2200°С в печах с резистивным и индукционным нагревом. Зернистые огнеупоры из ZrO2 используют в устройствах для разливки стали, для футеровки агрегатов с > 1800°С, тиглей для плавки ряда металлов и сплавов. Стаканы из циркона (в т.ч. с графитом) с добавлением пластифицированного компонента используют в промежуточных ковшах при разливке стали. Цирконистые огнеупоры в зависимости от содержания ZrO2 подразделяют на: - оксидциркониевые (> 85 % ZrO2), - бадде-леитокорундовые (20-85 % ZrO2 и до 65 % А12О3), - цирконовые (> 50 % ZrO2 и > 25 % Si2O,), - оксидцирконийсодержащие (< 20 % ZrO2). Бескислородные огнеупоры (non-oxygenous refractories) – огнеупорные изделия, изготовленные из тугоплавких бескислородных соединений: карбидов, нитридов, боридов, силицидов, сульфидов. Технология бескислородных огнеупоров включает приготовление порошков бескислородных соединений, формование из них изделий с добавлением связки и последующий обжиг при высоких температуpax. В окислительной среде такие материалы имеют очень ограниченное применение. Лекция 9. Топливо и его сжигание. Общая харак­теристика горючих материалов, классификация, теплотворная способ­ность топлива. Экологические аспекты сжигания топлива и утилизации вторичных энергоресурсов. Основы теории горения, расчет горения топлива, уст­ройства для горения топлива. Теплогенерация за счет электрической энергии. Теплогенерация за счет выгорания примесей. Общие понятия теории горения топлива Топливом называют вещество, выделяющее при определенных условиях большое количество тепловой энергии, которую используют в различных отраслях народного хозяйства для получения водяного пара или горячей воды систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и производства электроэнергии. Топливо бывает горючее и расщепляющееся. Горючее – топливо, которое выделяет теплоту при взаимодействии с окислителем (воздухом), а расщепляющееся (ядерное) – выделяет теплоту в процессе торможения продуктов деления тяжелых ядер химических элементов при взаимодействии их с нейтронами. Горючее топливо делится на органическое и неорганическое. В теплогенерирующих котельных установках (ТГУ) применяют органическое топливо, которое по агрегатному состоянию делят на твердое, жидкое и газообразное, а по способу получения – на естественное и искусственное. Естественные: уголь, торф, сланцы, древесина, природный газ, попутный газ нефтяных месторождений. Искусственные (синтетические, композиционные): топливные брикеты, торфяной кокс, дизельное и соляровое топливо, мазут (топочный, бытовой), топливные эмульсии и суспензии, доменный, коксовый, сланцевый газ. Горением называется быстрый процесс экзотермического окисления горючего вещества, сопровождающегося выделением значительного количества тепловой энергии. Особенности процесса горения, отличающие его от родственных процессов окисления: высокая температура; быстротечность по времени; неизотермичность; изменение концентрации компонентов, структуры и формы поверхности реагирования во времени. По своей природе горение – процесс, протекающий при непрерывном подводе горючего и окислителя в зону горения и отводе газообразных продуктов сгорания. В основе процесса горения лежат экзотермические и эндотермические реакции, которые описываются стехиометрическими уравнениями и принципиальной особенностью которых является их обратимость (принцип Ле-Шателье). Основы теории цепных реакций разработаны Н.Н. Семеновым. Для протекания реакции необходимо перемешивание компонентов на молекулярном уровне, иными словами, необходим процесс массопереноса реагирующих компонентов в зону реакции и продуктов реакции из нее. Процесс массопереноса осуществляется в турбулентном потоке за счет турбулентной диффузии, а в ламинарном потоке, неподвижной среде и в пограничном слое – за счет молекулярной диффузии, которые при постоянной температуре и давлении описываются законом Фика. Если реакция горения протекает мгновенно, то это явление называется взрывом. В зависимости от фазового состояния реагирующих веществ химические реакции горения делят на: 1) гомогенные – протекающие в объеме между компонентами, находящимися в одной фазе (газ и воздух); 2) гетерогенные – протекающие на поверхности раздела фаз (уголь или капля мазута и воздух). Состав твердого и жидкого топлива В состав твердого и жидкого топлива входят горючие элементы: углерод С, водород Н, сера S, а также негорючие элементы (внутренний и внешний балласт) – кислород О, азот N, влага W и зола А. Топливо, которое используется для сжигания, называется рабочим, и перечисленные элементы дают с индексом «Р», т.е. на рабочую массу топлива. Расчеты ведут на 1 кг топлива. Если из топлива удалить влагу, то останется сухая масса. Если у сухой массы удалить золу, то получим горючую массу топлива. Если выделить из горючей массы топлива летучую и колчеданную серу, то оставшаяся часть органической серы определит органическую массу. Если пробу топлива долго хранить в сухом помещении, то оставшаяся внешняя и гигроскопическая влага дает аналитическую массу топлива. Углерод С – главная составляющая топлив. При окислении с кислородом образуется углекислый газ СО2 и 33 МДж теплоты. При недостатке воздуха или плохой тяге образуется окись углерода СО, или угарный газ, который без цвета, запаха и вкуса, токсичен, легче воздуха (ρ = 1,25 кг/м3), горюч, взрывоопасен. Угарный газ скапливается в «мертвых» зонах газоходов и при взаимодействии с воздухом может произойти взрыв, поэтому в обмуровке не должно быть трещин и неплотностей. На человека действует отравляюще, так как соединяется с гемоглобином крови в 200 раз быстрее, чем кислород воздуха и тем самым блокирует гемоглобин, поэтому в котельной должен быть трехкратный воздухообмен (вентиляция). При содержании в воздухе СО в количестве 0,1 % – через час происходит легкое отравление, 0,5 % – через 0,5 часа тяжелое отравление, а при 1 % – через 0,5 часа смертельный исход. Окись углерода может догореть (при t = 650 °С), если подвести добавочный воздух. Водород Н – его содержание небольшое, но дает теплоты в четыре раза больше, чем углерод, т.е. 120 МДж. Сера S встречается в трех видах: органическая и колчеданная, или летучая горючая сера, а также сульфатная негорючая сера. Летучая сера дает 10 МДж теплоты. Сернистые соединения в сочетании с водяными парами вызывают коррозию стальных труб и повышают точку росы уходящих газов. Сернистый газ SO2 вредно действует на окружающую среду. Кислород О находится в соединении с горючими элементами топлива, поэтому не способствует выделению химической энергии топлива. ^ Азот N содержится в топливе в малых количествах, в горении не участвует и переходит в свободном состоянии в продукты сгорания. Влага W разделяется на внешнюю, попавшую в пласт при добыче, транспортировке, хранении из атмосферного воздуха, и внутреннюю, входящую в состав кристаллогидратов минеральных примесей топлива. Влага отрицательно влияет на качество топлива и работу теплогенератора, так как на ее испарение в топке используется полезная теплота, увеличивается температура точки росы, увеличивается количество дымовых газов, что приводит к перерасходу электроэнергии для их удаления и т.д. Зола А, или зольность, понятие условное, так как зола в топливе не содержится, а получается при сжигании. Легкоплавкая зола вызывает зашлаковывание котлов и колосниковых решеток, что препятствует доступу воздуха к топливу. Летучая зола – пылевидные фракции, выносимые продуктами сгорания из топки и осаждающиеся в газоходах на трубках котла, экономайзера, воздухоподогревателя, что снижает теплопередачу от топочных газов к воде, уменьшает КПД и увеличивает расход топлива. Для очистки от золы используют обдувку в паровых и дробеочистку в водогрейных и паровых котлах. Если твердое топливо нагревать без доступа воздуха до 850 °С (сухая перегонка), то из топлива выделяются летучие вещества (углеводороды, сера, водород, кислород, азот, влага) и остается твердый остаток (углерод и зола) – кокс. Количество летучих веществ определяют в процентах к рабочей или горючей массе топлива и называют выходом летучих. Чем больше выход летучих, тем легче воспламеняется топливо и выше его реакционная способность при горении, но необходимо иметь более высокие топки. Свойства жидкого топлива Жидкое топливо получается из нефти методом термической разгонки либо термического крекинга. В зависимости от температуры получают фракции: бензин (200…225 °С), керосин (140…300 °С), дизельные топлива (190…350 °С), мазутные (более 350 °С). Мазуты для котельных делятся на: • флотские Ф-5 и Ф-12 – для использования в судовых котлах, газотурбинных установках и двигателях; • топочные мазуты М-40, М-100 и другие, которые в зависимости от содержания серы делятся на малосернистые (S < 0,5 %), сернистые (S = 0,5…2 %), высокосернистые (S > 2 %); • топочные печные бытовые (ТПБ). физические свойства жидких топлив приведены в табл. 2.8 [5], основные из них: • теплота сгорания 39…42 МДж/кг; • относительная плотность – отношение плотности нефтепродукта при 20 °С к плотности дистиллированной воды при 4 °С (0,9…1,02); • вязкость условная (ВУ) – отношение времени истечения 200 см3 нефтепродукта при определенной (50, 80, 100 °С) температуре ко времени этого же объема дистиллированной воды при 20 °С; для обеспечения перекачки и сжигания топочного мазута (кроме ТПБ) в котлах его подогревают до 70…115 °С, для того чтобы ВУ = 3…6°; • температура вспышки (80…110 °С) – когда нагретое топливо выделяет пары, которые в смеси с воздухом могут вспыхнуть при подносе к ним пламени; • температура застывания (от −10 до + 42 °С) – при которой оно загустевает настолько, что при наклоне пробирки с топливом на 45 ° к горизонту его уровень остается неподвижным в течение 1 мин. 4.4. Состав и свойства газообразного топлива В газообразном топливе газовых месторождений преобладают метан СН4 (80…98 %), тяжелые углеводороды (этан, пропан, бутан и т.д.), водород, сероводород, в небольших количествах кислород, азот, углекислый газ и водяные пары. Состав газообразного топлива дается в процентах по объему, а расчеты ведут исходя из единиц объема сухого газа, взятого при нормальных условиях. При окислении 1 м3 метана образуются углекислый газ, водяные пары и 36 МДж теплоты; этана – 63,8 МДж, пропана – 91,4 МДж, бутана – 120 МДж и т.д. Природный газ не имеет цвета, запаха, вкуса, легче воздуха (плотность 0,75 кг/м3). Теплота сгорания 33…40 МДж/м3. Природный газ на человека действует удушающе, а смертельная доза – 25 % от объема помещения. Температура воспламенения в воздухе – это температура, которую должен иметь газ или газовое топливо, чтобы начался самопроизвольный процесс горения за счет выделения теплоты горящими частицами газа без подвода теплоты извне. Для метана температура воспламенения в воздухе 654…790 °С. При концентрации природного газа более 17 % – он огнеопасен. Объемное содержание горючего газа в газовоздушной смеси, ниже (или выше) которого пламя не может самопроизвольно распространяться в этой смеси при наличии или внесении в нее источника высокой температуры, называется нижним (верхним) пределом воспламенения, или нижним (верхним) пределом взрываемости данного газа. Пределы взрываемости газов в зависимости от объема воздуха помещения приведены в табл. 1.2 [4]. Для того чтобы своевременно обнаружить утечки, горючие газы подвергают одоризации, т.е. придают им резкий специфический запах. Газы одорируют после их очистки и осушки перед поступлением в магистральный газопровод в одоризационных установках при помощи одоранта – этилмеркаптана, в количестве 16 г на 1000 м3 природного газа. Одоризация считается эффективной, если наличие газа в воздухе может быть обнаружено при концентрации его, равной 1/5 от нижнего предела взрываемости. Это значит, что одоризация газа, имеющего нижний предел взрываемости 5 %, будет достаточной, если запах его хорошо ощутим в воздухе помещения при концентрации газа в нем 1 %. Основные требования к одоранту: должен мгновенно растворяться в газах и сгорать, не образовывая вредных для человека соединений; не должен взаимодействовать с влагой и вызывать коррозию труб и оборудования. Основные преимущества и недостатки газообразного топлива перед другими видами топлива: • преимущества – легко транспортируется, не требует больших затрат физического труда (по сравнению с твердым и жидким топливом), поддается автоматизированному процессу сжигания, не нужны складские помещения для хранения, хорошие санитарные условия на рабочем месте; • недостатки – взрывоопасен (4…16 % от объема помещения), пожароопасен (при 17 % и более), удушающе действует на человека, трудно обнаружить утечку. Содержание вредных примесей регламентируется ГОСТ 5542–87: а) сероводород Н2S – не более 2 г на 100 м3 газа; б) смола и пыль – не более 0,1 % на 100 м3, так как они приводят к закупоркам и отложениям на стенках труб, а пыль ухудшает процесс горения и приводит к засорению приборов; в) нафталин – не более 10 г на 100 м3 летом и не более 5 г на 100 м3 газа зимой; г) аммиак NН3 – не более 2 г на 100 м3, так как токсичен и коррозионно воздействует на медные сплавы; д) влага нежелательна, так как увеличивает коррозию труб и арматуры, снижает теплоту сгорания, поэтому газ до подачи осушают специальными поглотителями; относительная влажность газа должна быть не более 60 % при самой низкой температуре в газопроводе. Сжиженный газ имеет плотность 2,6 кг/м3 (т.е. тяжелее воздуха в 1,5 раза), теплоту сгорания 110…120 МДж/м3, предел взрываемости 1,5…9,5 % от объема помещения (при наличии искры), температуру вспышки 750…850 °С. Зимняя смесь состоит из 75 % пропана и 25 % бутана, летняя – 25 % пропана и 75 % бутана. Одорант (этилмеркаптан) используется в количестве 40 г на 1000 м3 газа, для того чтобы ощутить запах при концентрации 0,5 % от объема помещения. 4.5. Теплота сгорания топлива Количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы топлива, называется его теплотворностью, или теплотой сгорания и измеряется в кДж/кг или кДж/м3. Теплота сгорания – основной параметр органического топлива, характеризующий его энергетическую ценность, и для расчетов определяется по [5, табл. 2.1, 2.8, 2.9]. Различают высшую и низшую теплоту сгорания. За высшую теплотворность Qрв принимают количество теплоты, выделенное 1 кг (или 1 м3) рабочего топлива, причем, считают, что водяные пары, образующиеся от сгорания водорода и испарения влаги топлива, конденсируются. Низшей теплотой сгорания топлива Qрн называют количество теплоты, выделенное 1 кг (или 1 м3) рабочего топлива, без учета конденсации водяных паров. В реальных условиях водяные пары уходят в атмосферу, не сконденсировавшись, и поэтому для расчетов используют низшую теплоту сгорания топлива. Теплота Qрн меньше Qрв на теплоту парообразования водяных паров (2460 кДж/кг). Удельная теплота сгорания твердого и жидкого топлива определяется сжиганием 1 г топлива в калориметрической бомбе, заполненной кислородом, которая помещается в сосуд (калориметр) с водой, а приращение температуры воды измеряется метастатическим термометром. Удельная теплота сгорания газообразного топлива определяется в калориметре путем сжигания исследуемого газа в воздушной среде. Расход газа измеряется счетчиком, а выделившаяся при этом теплота передается потоку проточной воды, расход которой определяется взвешиванием, а приращение температуры – термометрами. Учет запасов разных видов топлива ведут в пересчете на условное топливо, теплота сгорания которого принимается равным 29 308 кДж/кг (7000 ккал/кг). Для перевода натурального топлива Вн в условное – Ву, используют тепловой эквивалент Э = Qрн / 29308, и тогда Ву = Вн Э. 4.6. Способы сжигания органического топлива Если за определяющий параметр взять скорость движения воздуха wв относительно скорости движения частиц топлива vт, то по этому параметру выделяют четыре технологии сжигания топлива. 1. ^ В плотном фильтрующем слое (wв >> vт). Применяется только для кускового твердого топлива, которое распределяется на колосниковой решетке. Слой топлива продувается воздухом со скоростью, при которой устойчивость слоя не нарушается и процесс горения имеет кислородную и восстановительную зону. Видимое тепловое напряжение колосниковой решетки составляет QR = 1,1…1,8 МВт/м2. 2. В кипящем или псевдоожиженным слое (wв > vт). При увеличении скорости воздуха динамический напор может достигнуть, а затем и превысить гравитационную силу частиц. Устойчивость слоя нарушится и начнется беспорядочное движение частиц, которые будут подниматься над решеткой, а затем совершать возвратно-поступательное движение вверх и вниз. Скорость потока, при которой нарушается устойчивость слоя, называется критической. Увеличение ее возможно до скорости витания частиц, когда они выносятся потоком газов из слоя. Значительная часть воздуха проходит через кипящий слой в виде «пузырей» (газовых объемов), сильно перемешивающих мелкозернистый материал слоя, в результате процесс горения по высоте протекает практически при постоянной температуре, что обеспечивает полноту выгорания топлива. Для кипящего псевдоожиженного слоя характерна скорость воздуха 0,5…4 м/с, размер частиц топлива 3…10 мм, высота слоя не более 0,3…0,5 м. Тепловое напряжение объема топки QV = 3,0…3,5 МВт/м3. В кипящий слой вводят негорючий заполнитель: мелкий кварцевый песок, шамотную крошку и др. Концентрация топлива в слое не превышает 5 %, что позволяет сжигать любое топливо (твердое, жидкое, газообразное, включая горючие отходы). Негорючий наполнитель в кипящем слое может быть активным по отношению к вредным газам, образующимся при горении. Введение наполнителя (известняка, извести или доломита) дает возможность перевести в твердое состояние до 95 % сернистого газа. 3. ^ В потоке воздуха (wв ≈ vт) или факельный прямоточный процесс. Частицы топлива оказываются взвешенными в газовоздушном потоке и начинают перемещаться вместе с ним, сгорая во время движения в пределах топочного объема. Способ отличается слабой интенсивностью, растянутой зоной горения, резкой неизотермичностью; требуется высокая температура среды в зоне воспламенения и тщательная подготовка топлива (распыливание и предварительное перемешивание с воздухом). Тепловое напряжение объема топки QV ≈ 0,5 МВт/м3. 4. Циклонное сжигание топлива (wв ≤ vт). Частица или капля топлива циркулирует по организованному контуру потока столько раз, сколько необходимо для ее полного сгорания. При этом достигается наибольшая скорость сгорания с одновременной интенсификацией массопереноса. Тепловое напряжение объема топки QV ≈ 1,3 МВт/м3. 4.7. Расчет горения органического топлива Расчет сводится к определению количества воздуха, необходимого для полного сгорания топлива, продуктов горения, а также температуры и энтальпии дымовых газов. Расчет твердого и жидкого топлива ведут по соотношениям масс веществ, участвующих в реакциях, а для газообразного топлива – по объемным соотношениям. Для полного сжигания 1 кг углерода С требуется 1,866 м3 кислорода О2, в результате чего образуется 1,866 м3 двуокиси углерода СО2 и выделяется 34 МДж (34 000 кДж) теплоты: С + О2 = СО2 + Q. Для полного сгорания 1 кг серы S требуется 0,7 м3 кислорода О2, в результате образуется 0,7 м3 сернистого газа SО2 и выделяется 10,5 МДж теплоты: S + О2 = SО2 + Q. Для полного сгорания 1 кг водорода Н2 требуется 5,6 м3 кислорода О2, образуется 11,2 м3 водяного пара Н2О и выделяется 121,5 МДж теплоты: 2Н2 + О2 = 2Н2О + ^ Q. Для полного сгорания 1 м3 метана СН4 требуется 9,52 м3 воздуха Vо, образуется 10,52 м3 дымовых газов, содержащих СО2 и водяные пары Н2О, и выделяется 36,5 МДж теплоты: СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О + Q. При полном сгорании топлива дымовые газы содержат углекислый газ СО2, сернистый газ SО2, азот топлива и воздуха N2, неиспользованный при горении кислород О2 воздуха, водяной пар Н2О, полученный за счет окисления водорода топлива, испарения влаги, содержащейся в топливе и внесенной с влажным воздухом и при распылении жидкого топлива (в паромеханических форсунках). Для полного горения топлива необходимы: достаточное количество воздуха; хорошее перемешивание воздуха с топливом; высокая температура в топке (не менее 700 °С на выходе); достаточное время пребывания топлива и окислителя в топке; постоянный отвод продуктов сгорания из топки. При неполном сгорании топлива образуются вредные для человека и окружающей среды оксиды азота (NО, NО2), серы (SО2), углерода СО (угарный газ), а также сажа, которая осаждается на экранных и конвективных трубах, снижает теплопередачу от топочных газов к теплоносителю, что приводит к уменьшению КПД и перерасходу топлива. Кроме того, сажа может самовозгораться, что приводит к авариям. Полнота сгорания топлива определяется двумя способами: 1) с помощью газоанализаторов – по показаниям состава уходящих топочных газов оценивается полнота сгорания и избыток воздуха; 2) визуально – по цвету пламени и дыма. При полном сгорании цвет пламени в разогретой топке голубовато-фиолетовый или прозрачно-соломенный, а цвет дыма – бесцветный, прозрачный, невидимый для глаза – летом и светло-серый или белый – зимой. При неполном сгорании цвет пламени оранжево-красный, с темными язычками, непрозрачный, а цвет дыма – серый ближе к темному, непрозрачный. 3) Энтальпия воздуха и продуктов сгорания зависит от объема, теплоемкости и температуры компонентов горения и вычисляется по формулам, после чего строится график зависимости энтальпии от температуры топочных газов для каждого элемента котла (топки, газоходов, пароперегревателя, экономайзера и т.п.). Различают теоретическую (калориметрическую) и действительную температуру горения топлива. Максимальную температуру, развиваемую при сжигании топлива, называют жаропроизводительностью топлива. Теоретическая – это та температура, которую приобрели бы дымовые газы, если бы вся теплота от полного сгорания топлива воспринималась бы только дымовыми газами. Калориметрическую температуру горения определяют из уравнения теплового баланса. В реальных условиях горения топлива действительная температура топочных газов всегда ниже теоретической за счет теплообмена между топочными газами и радиационными поверхностями нагрева, а также различных потерь теплоты в топке (механический, химический недожог и др.). 4.8. Коэффициент избытка воздуха Для обеспечения полного сгорания топлива в топочное устройство подводят воздуха больше, чем теоретически необходимо. Отношение действительно поступившего количества воздуха Vд к теоретически необходимому Vо, называется коэффициентом избытка воздуха αт. Топки паровых и водогрейных котлов, как правило, работают с разрежением 2…3 мм вод. ст., в связи с чем происходит подсос воздуха и в топку и во все элементы котельной установки по ходу газового тракта, вплоть до дымососа. Присосы воздуха для каждого элемента котла определяются по [8] и ориентировочно могут быть приняты: • 0,05 – для первого конвективного пучка (газохода), фестона (с камерой догорания), пароперегревателя, воздухоподогревателя; • 0,1 – для второго конвективного пучка (газохода), конвективной шахты, чугунного и стального экономайзера с обшивкой; • 0,15…0,2 – для чугунного экономайзера без обшивки. Поэтому коэффициент избытка воздуха в уходящих топочных газах – αух больше чем в топке, на суммарное значение присосов воздуха ΣΔα и составляет: αух = αт + ΣΔα. Разрежение в топке замеряется тягонапоромером ТНЖ. При разрежении менее 1 мм вод. ст. топочные газы могут выбиваться в помещение котельной, что недопустимо по технике безопасности. При разрежении более 8 мм вод. ст. будет происходить значительный подсос холодного наружного воздуха, что приведет к снижению температуры топочных газов, увеличению потерь теплоты, снижению КПД и др. 5. Тепловой баланс теплогенератора 5.1. Уравнение теплового баланса Расход сжигаемого топлива должен обеспечивать получение необходимого количество полезной теплоты, а также восполнение тепловых потерь, сопровождающих работу котельной установки. Полезно используемая теплота в котельной установке Q1 идет на подогрев воды, ее испарение, получение и перегрев пара. Соотношение, связывающее приход и расход теплоты, носит название теплового баланса. Тепловой баланс составляется на 1 кг твердого или жидкого топлива, на 1 м3 газообразного топлива или в % от введенной теплоты. Суммарное количество введенной в топку теплоты называется располагаемой теплотой Qрр и соответственно включает в себя: • Qрн – низшую рабочую теплоту сгорания топлива; • ^ Qф.т – физическую теплоту, вводимую в теплогенератор с топливом, если топливо предварительно нагревается (мазут); • Qф.в – физическую теплоту, вводимую в теплогенератор с воздухом, если нагрев воздуха происходит вне котельного агрегата (воздухоподогреватель); • Qпар – физическую теплоту, вводимую в теплогенератор с паром, при паровом распылении топлива (паромеханические форсунки). Следовательно, Qрр = Qрн + Qф.т + Qф.в + Qпар. Расходная часть теплового баланса Qрасх включает в себя полезно использованную теплоту ^ Q1, а также потери теплоты с уходящими топочными газами Q2, химической Q3 и механической Q4 неполнотой сгорания топлива, от наружного охлаждения Q5, с физической теплотой шлаков Q6, на аккумуляцию ограждающих конструкций Qак (при нестационарных условиях работы установки). Следовательно, Qрасх = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 + Qак. Уравнение теплового баланса имеет вид Qрр = Qрасх. Разделив, каждый член уравнения теплового баланса на Qрр и умножив на 100 %, получим другую запись уравнения теплового баланса: 100 = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6. 5.2. Коэффициент полезного действия и расход топлива теплогенератора Коэффициентом полезного действия брутто ηбр, %, называется отношение полезно используемой теплоты Q1 к располагаемой Qрр: ηбр = (Q1 / Qрр) ⋅ 100, %. Доля полезно используемой теплоты q1 = (Q1 / Qрр) 100, %. Тогда имеем, что q1 = ηбр. Следовательно, коэффициент полезного действия брутто ηбр = 100 − (q2 + q3 + q4 + q5 + q6), %. При выработке тепловой энергии следует учитывать расход тепловой энергии на собственные нужды qс.н (привод насосов, тягодутьевых устройств, на обдувку, деаэрацию, мазутное хозяйство и т.д.). В связи с этим введено понятие КПД нетто ηнетто = ηбр − qс.н, %. Натуральный расход топлива Вн, кг/с, м3/с, при нормальных условиях сжигания (при t = 0 °С и Р = 760 мм рт. ст.), в паровом и водогрейном котельном агрегате определяется по формулам: • для парового котла Вн = (D Δiп) / (Qрр ηбр), • для водогрейного котла Вн = (G Δiв) / (Qрр ηбр), где D – паропроизводительность теплогенератора, кг/с; Δiп – прирост энтальпии пара и питательной воды, кДж/кг; ^ Qрр – располагаемая теплота, кДж/кг, кДж/м3; ηбр – КПД брутто; G – расход воды через водогрейный котел, кг/с; Δiв – прирост энтальпии горячей и холодной воды, кДж/кг. При сжигании газа и мазута, расчетный расход топлива ^ Вр равен натуральному расходу Вн, так как потери теплоты от механической неполноты сгорания q4 = 0. Для увеличения ηбр необходимо снижать потери теплоты, а именно: • работать по режимной карте, температурному графику, с наименьшим коэффициентом избытка воздуха: 1,05…1,1 – для природного газа; 1,1…1,15 – для мазута; 1,4…1,8 – для твердого топлива; • следить за температурой уходящих топочных газов, полнотой сгорания топлива, обмуровкой котла. 5.3. Тепловые потери теплогенератора Работа теплогенерирующей установки сопровождается потерями теплоты, выраженными обычно в долях, %: qi = (Qi / Qрр) ⋅ 100. 1. Потери теплоты с уходящими топочными газами теплогенератора q2 = (Q2 / Qрр) ⋅ 100, %. В теплогенераторе это, чаще всего, наибольшая часть тепловых потерь. Потери теплоты с уходящими топочными газами можно понизить за счет: • снижения объема дымовых топочных газов, путем поддержания требуемого коэффициента избытка воздуха в топке αт и уменьшения присосов воздуха; • снижения температуры уходящих топочных газов, для чего применяют хвостовые поверхности нагрева: водяной экономайзер, воздухоподогреватель, контактный теплообменник. Температура уходящих топочных газов (140…180 °С) считается рентабельной и во многом зависит от состояния внутренней и внешней поверхности нагрева труб котла, экономайзера. Отложение накипи на внутренней поверхности стенок труб котла, а также сажи (летучей золы) на внешней поверхности нагрева существенно ухудшают коэффициент теплопередачи от топочных газов к воде и пару. Увеличение поверхности экономайзера, воздухоподогревателя для более глубокого охлаждения дымовых газов не является целесообразным, так как при этом уменьшается температурный напор ΔТ и увеличивается металлоемкость. Повышение температуры уходящих топочных газов может произойти в результате неправильного процесса эксплуатации и сжигания топлива: большой тяги (топливо догорает в кипятильном пучке); наличия неплотности в газовых перегородках (газы напрямую идут по газоходам котельного агрегата, не отдавая теплоты трубам – поверхностям нагрева), а также при большом гидравлическом сопротивлении внутри труб (за счет отложения накипи и шлама). 2. Химический недожог q3 = (Q3 / Qрр) ⋅ 100, %. Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива определяются по результатам анализа летучих горючих веществ Н2, СО, СН4 в уходящих дымовых топочных газах. Причины химической неполноты сгорания: плохое смесеобразование, недостаток воздуха, низкая температура в топке. 3. Механический недожог q4 = (Q4 / Qрр) ⋅ 100, %. Потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива характерны для твердого топлива и зависят от доли провала топлива через колосниковую решетку в систему шлакозолоудаления, уноса частичек несгоревшего топлива с дымовыми газами и шлаком, который может оплавить частицу твердого топлива и не дать ей полностью сгореть. 4. Потери теплоты от наружного охлаждения ограждающих конструкций q5 = (Q5 / Qрр) ⋅ 100, %. Возникают ввиду разности температуры наружной поверхности теплогенератора и окружающего наружного воздуха. Они зависят от качества изолирующих материалов, их толщины. Для поддержания q5 в заданных пределах необходимо, чтобы температура наружной поверхности теплогенератора – его обмуровки не превышала 50 °С. Потери теплоты q5 уменьшаются по ходу движения топочных газов по газовому тракту, поэтому для теплогенератора введено понятие коэффициента сохранения теплоты φ = 1 − 0,01q5. 5. Потери с физической теплотой шлака q6 = (Q6 / Qрр) ⋅ 100, %. Возникают за счет высокой температуры шлаков порядка 650 °С, и характерны только при сжигании твердого топлива. Таблицы расчета тепловых потерь, коэффициента полезного действия брутто, натурального, расчетного и условного расхода топлива теплогенератора приведены в справочной литературе.