Режим прямого и косвенного направленного теплообмена

Развитие поверхности футе­ровки по отношению к поверхности нагрева (ω>1) оказывает слабое влияние на интенсивность теплообме­на вследствие одновременного увеличения степени чер­ноты пламени, поэтому решающее значение для интен­сивности теплоотдачи имеют, кроме температурного уровня печи, эксцентриситет излучения и абсолютное значение степени черноты пламени. Выбор наиболее це­лесообразного режима работы печи определяется ограни­чениями, вытекающими из требований технологии и стойкости огнеупорных материалов.

Под режимом прямого направленного теплообмена понимается диапазон режимов, для которых > и которые характеризуются величиной отношения < 1. На рис. 10 режиму прямого направленно­го теплообмена соответствует левая часть диаграммы.

Преимущество прямого направленного теплообмена режима теплообмена заключается в снижении требований к качеству огнеупорных мате­риалов. Интенсификация теплообмена достигается в результате увеличения температуры и степени черноты прежде всего того слоя пламени, который располагает­ся в области рабочего пространства печи, ближней к поверхности нагрева.

Для создания режима прямого направленного тепло­обмена необходимо использовать виды топлива, дающие пламя возможно более высокой светимости, например тяжелые сорта мазута, пылевидное топливо, природный газ с большим содержанием тяжелых углеводородов. Необходимость размещения высокотемпературной час­ти пламени в нижней половине рабочего пространства предъявляет особые требования к горелочным устрой­ствам, которые должны создать факелы, способные на протяжении обогреваемой части пода преодолеть дейст­вие подъемной силы, стремящейся нарушить данный режим теплообмена. Это достигается направлением факелов под углом к поверхности нагрева.

Основным принципом при организации прямого на­правленного теплообмена является создание в пламени, образованном факелами отдельных горелок, режима, отличающегося от режима газовой среды остальной ча­сти рабочего пространства, образно говоря, сохранение индивидуальности факелов, создаваемых горелочными устройствами. Следствием этого является необходи­мость создания такого газодинамического режима, при котором подсос в пламя окружающей среды был бы ми­нимальным. Здесь мы сталкиваемся с главной труд­ностью конструирования подобных печей, а именно, для того чтобы локализовать пламя вблизи поверхности на­грева, расположенной на поду печи, необходимо иметь горелочные устройства с большими скоростями истече­ния сред. В то же время, чем больше скорости истече­ния газа и воздуха из горелок, тем при прочих равных условиях больше всасывающая способность факела. Факелы мелких горелок, имеющие большую поверх­ность контакта с окружающей средой, быстрее теряют свою индивидуальность и поэтому для создания режима прямого направленного теплообмена непригодны. На­против, этот режим теплообмена организуется значи­тельно легче при использовании небольшого числа мощных горелок, факелы которых образуют плоский слой пламени вблизи поверхности нагрева. Внутренняя циркуляция газов в рабочем пространстве при данном режиме противопоказана и должна быть сведена к ми­нимуму (полностью ликвидировать циркуляцию невоз­можно, тем более что она способствует повышению стойкости футеровки).

Вполне вероятно также предположить, что чем вы­ше степень черноты пламени и равномернее эта харак­теристика по толщине пламени, тем труднее получить неравномерность поля температур в пламени.

Факельный режим организации горения является типичным для прямого направленного теплообмена, по­скольку по самой своей природе создание горящего фа­кела представляет собой процесс организации растяну­того горения. При таком сжигании топлива практиче­ская температура горения всегда существенно ниже теоретической. Поэтому необходимо применять топливо с более высокой теплотой сгорания и прибегать к подогреву топлива и воздуха перед сжиганием.

Смешивающая способность горелок должна соответствовать тре­буемой длине факела. По этой причине горелки для получения факела могут быть очень простой конструкции, например типа "труба в трубе". Каналы для отвода продуктов сгорания следует располагать напротив горелок, так как в этом случае уменьшается интенсивность движения газа в циркуляционных зонах и таким образом сокращается возмож­ность подмешивания возврата в проточную зону.

На рис. приведена схема рабочего пространства методической печи с нижним отоплением. В пространстве над заготовками прямой направленный теплообмен организован путем расположения горелок наклонно к поверхности нагрева.

Рис. 26. Схема движения газов в рабочем пространстве методической печи

В сочетании с конфигурацией свода расположение горелок и их мощность позволяют получить под сводом сварочного пространства циркуляционную зону, которая несколько эк­ранирует кладку свода от высокотемпературной части факела.

В прост­ранстве под заготовками прямой направленный теплообмен организуется без усилия, поскольку под действием подъемной силы высокотемпе­ратурное пламя занимает место непосредственно у поверхности нагрева.

Имеется принципиальное различие в организации радиационного теплообмена в электрических и пламенных печах. Физическая сущ­ность этого различия заключается в том, что в пламенных печах та или иная направленность излучения обеспечивается использованием экрани­рующего действия менее нагретого газа, тогда как в электрических печах - расположением теплогенератора по отношению к тепловоспринимающим поверхностям.

Коэффициент использования энергии η_к.и.э в электрических печах равен единице, поэтому интенсивность теплообмена ограничивается толь­ко допустимыми с точки зрения стойкости огнеупоров температурными условиями (см. гл. II). Из уравнения (84) следует, что теплоотдача к поверхности нагрева в этом случае зависит только от подачи электричес­кой энергии Q_т.г и тепловых потерь через кладку q_к. Очевидно, что чем больше энергии излучается непосредственно на поверхность нагрева и соответственно чем меньше посредством футеровки, тем легче усло­вия службы футеровки и тем большая интенсивность теплоотдачи может быть реализована. Успех, таким образом, зависит от возможности организовать наиболее совершенный прямой теплообмен. Наглядным приме­ром может служить работа дуговых электрических печей.

Из рис. 27, а видно, что колодцы, образующиеся в плавящейся шихте, закрывают футеровку от высокотемпературных дуг, что позволяет работать на длинных дугах, обеспечивая высокую расходуемую мощ­ность за счет высокого напряжения и малой силы тока. Аналогичная ситуация наблюдается при работе с пенистым шлаком. В этот период тепло генерируется главным образом внутри слоя шихты или шлака. Напротив, в период нагрева жидкой ванны при непенистом шлаке (рис. 27, б), когда футеровка интенсивно облучается, приходится работать с меньшей мощностью на коротких дугах, т.е. при низком напряжении и большой силе тока.

Рис.. Схема работы электродуговой печи: а — период плавления твердой шихты; б – период нагрева жидкой ванны

В условиях работы топливных печей интенсивность теплообмена ограничивается не только стойкостью огнеупоров, но и качеством, и методом сжигания топлива, определяющими температурные усло­вия в факеле. Растянутость зоны горения, неизбежная при прямом нап­равленном теплообмене, снижает температурный уровень работы печи, что в сочетании с неоптимальной степенью черноты пламени приводит к ухудшению теплоотдачи. Поэтому создание оптимальных условий теплообмена при режиме прямого направленного теплообмена сущест­венно труднее, чем при других режимах.

Рассмотрим случай, когда допустимые условия службы кладки нак­ладывают ограничение . Такую ситуацию целесообразно назвать предельным случаем прямого направленного теплообмена, который характеризуется тем, что кладка перестает как посредник участвовать в теплообмене. Поскольку и результирующий поток на металл

т.е. плотность результирующего теплового потока к металлу опреде­ляется только разностью . Положительному значению этой разности соответствует эксцентриситет излучения пламени в направле­нии поверхности нагрева больше единицы: .На диаграмме приведенной на рис., область предельного случая прямого направлен­ного теплообмена прилегает непосредственно к оси ординат.

В связи с тем, что получение большой величины разности и, стало быть, высоких значений отношения представляет значи­тельные трудности, то к этой разновидности теплообмена прибегают только тогда, когда исходя из требований технологии и стойкости огнеу­поров необходимо работать в условиях

В качестве примера предельного случая прямого направленного теплообмена можно назвать теплообмен в мартеновских печах, работаю­щих без продувки ванны кислородом и имеющих свод из динасового кирпича. Известно, что допустимые температуры нагрева такого кир­пича не превосходят 1670 °С, и во второй половине мартеновской плав­ки температура поверхности ванны (шлака) достигает той же величины. Работа мартеновских печей в этих условиях возможна только при соз­дании прямого направленного теплообмена (предельный случай) путем расположения факела с возможно более высокой температурой вблизи поверхности ванны (создание "настильного факела").

На рис. 28 приведена схема рабочего пространства мартеновской печи, на которой стрелками показано целесообразное движение газовых потоков.

Рис. 28. Схема движения газов в рабочем прост­ранстве мартеновской печи

Создание такого распределения газовых потоков — трудная задача, так как подъемная сила стремится нарушить настильность пла­мени и сместить высокотемпературную часть пламени ближе к своду и тем самым нарушить направленный теплообмен, при котором часть пло­щади зеркала ванны вдали от работающей головки практически исклю­чается из теплообмена. Следует еще раз подчеркнуть, что в таких ус­ловиях необходима высокая степень черноты пламени, но не всего, а только тех его слоев, которые наиболее приближены к ванне. Для это­го лучше всего применять тяжелые сорта мазута и одну-две мощные форсунки высокого давления с возможностью изменять угол наклона факела к зеркалу ванны. Последнее, как известно, позволяет опытным путем подобрать направление факела, отвечающее лучшим условиям теп­лообмена.