Режим косвенного направленного теплообмена

Под режимом косвенного направленного теплообмена понимается диапазон режимов, для которых и которые характеризуются величиной отношения . На рис. 22 режиму косвенного направленного теплообмена соответствует правая часть диаграммы. При органи­зации данного режима теплообмена предъявляются повышенные требо­вания к качеству огнеупорных материалов, поскольку при прочих рав­ных условиях они работают при более высоких температурах. Интен­сификация косвенного направленного режима теплообмена достигается за счет увеличения температуры и степени черноты прежде всего того слоя пламени, который располагается ближе к поверхности футеровки. Усредненная степень черноты пламени, как и при режиме прямого нап­равленного теплообмена, имеет оптимальное значение, обеспечивающее, при данных эксцентриситете излучения пламени и степени развития кладки, максимальное значение плотности результирующего теплового потока на металл. Эта оптимальная усредненная степень черноты умень­шается по мере увеличения эксцентриситета излучения в сторону футе­ровки (см. рис. 24). Если учитывать, что степень черноты пламени неодинакова по высоте рабочего пространства, то очевидно слои пламе­ни (продуктов сгорания), примыкающие к поверхности нагрева, долж­ны иметь минимальную степень черноты, приближающуюся к нулю.

Для создания режима косвенного направленного теплообмена мож­но использовать виды топлива, дающие пламя меньшей светимости, чем это рекомендовано при организации прямого направленного теп­лообмена, например легкие сорта мазута, природный газ с малым со­держанием тяжелых углеводородов и др.

Размещение высокотемпературных слоев пламени в верхней час­ти рабочего пространства печи не представляет трудности, так как подъемная сила стремится отклонить пламя вверх. Более того, по этой причине режим прямого направленного теплообмена имеет тен­денцию по мере удаления от начала факела переходить в режим косвен­ного направленного теплообмена. Исключением является только тот случай, когда зона теплогенерации расположена ниже ЗТП, как это имеет место в нижней части рабочего пространства методической печи (см. рис. 26).

При данном режиме теплообмена внутренняя циркуляция газов также противопоказана, как и при режиме прямого направленного теплообмена, однако, вследствие расположения наиболее горячих га­зов вверху рабочего пространства печи, эта циркуляция и менее вероят­на. Функции горелочных устройств при косвенном направленном режи­ме теплообмена проще. Задачей этих устройств является обеспечение требуемых условий сжигания, и в меньшей степени создание опреде­ленного газодинамического режима в рабочем пространстве.

Нет необходимости предъявлять особые требования к мощности горелок, так как режим косвенного направленного теплообмена можно обеспечить и малым числом мощных горелок, и большим числом мел­ких горелок, если их должным образом расположить в верхней части рабочего пространства печи. В печах, в которых ЗГТ расположена вокруг ЗТП (см. рис. 1, в), для создания режима косвенного направлен­ного теплообмена горелки рекомендуется располагать тангенциально к поверхности кладки. Характерными в этом отношении являются сек­ционные печи скоростного нагрева (рис. 29).

В печах, работающих по режиму косвенного направленного теплооб­мена, каналы для отвода продуктов сгорания из рабочего пространст­ва рекомендуется располагать вблизи поверхности нагрева, т.е. там, где температура отходящих газов минимальна. Так, в секционных пе­чах соответствующие выходные отверстия делают в торцевых стенах ка­меры печи вокруг поверхности нагрева (см. рис. 29), а в обычных камерных печах — у пода печи.

Особые достоинства косвенный направленный режим теплообмена имеет в тех случаях, когда не допускается местный перегрев поверх­ности нагрева, например в печах для нагрева листового металла и вооб­ще тонких изделий. Чем дальше зона пламени с наивысшей температу­рой расположена от поверхности нагрева, тем легче получить равномер­ность нагрева этой поверхности. Так при прямом направленном теплооб­мене локальное увеличение температуры пламени всегда приводит к местному перегреву поверхности, что иногда влечет за собой брак по нагреву (перегрев, пережог, чрезмерное окисление). Во избежание такого брака приходится снижать температуру пламени, что, однако, ведет к снижению интенсивности теплообмена. При косвенном направ­ленном теплообмене локальное повышение температуры пламени не представляет опасности, так как воздействие далеко расположенных высокотемпературных зон распределяется на значительно большую часть поверхности нагрева.

Косвенный направленный теплообмен может быть реализован в электрических печах, если нагреватели (дуга, резистор) расположены ближе к футеровке, чем к поверхности нагрева. Отдаление генератора тепла от поверхности нагрева, так же как и для пламенных печей, об­легчает возможность обеспечения равномерности теплоотдачи на по­верхность нагрева. Что касается величины плотности результирующего теплового потока к металлу, то в данном случае, как и для прямого направленного теплообмена, эта плотность зависит только от подачи электрической энергии и тепловых потерь через футеровку [уравнение ], разумеется, при отсутствии ограничений по условиям ее службы.

Также как при прямом направленном теплообмене, при косвенном направленном теплообмене могут существовать такие разновидности режима, которые целесообразно называть предельными.

Предельный случай косвенного направленного теплообмена, (рис. 30, а) возникает тогда, когда пламя или другой теплогенератор непос­редственно не излучает на поверхность нагрева, и тепло к этой поверх­ности передается только посредством футеровки.

Для данного случая, (101)

По уравнению (101) плотность результирующего теплового потока к металлу не зависит от плотности потока эффективного излучения по­верхности нагрева , т.е. от температуры этой поверхности. Это озна­чает, что если каким-то образом обеспечивается определенная плотность теплового потока от пламени на футеровку , то этим самым обеспе­чивается и плотность результирующего теплового потока на металл q_м вне зависимости от температурного состояния поверхности нагрева.

Рис. 30. Схема печи с расположением теплоге­нератора вне рабочего пространства: а — подвод тепла к внутренней поверхности футеровки; б — подвод тепла через футеровку

В этом принципиальное отличие печей беспламенных, в том числе элект­рических, то пламенных. Однако указанное обстоятельство не всегда является преимуществом, так как связано с необходимостью допускать тем более высокую температуру футеровки, чем выше температура по­верхности нагрева. Последнее, естественно, связано с повышением тре­бований к огнеупорным материалам.

На диаграмме, приведенной на рис. 22, предельный случай косвен­ного направленного теплообмена теоретически будет иметь место при

Частным случаем предельного косвенного направленного теплообме­на является состояние, при котором тепло на внутреннюю поверхность футеровки поступает со стороны ее внешней поверхности (например, при нагреве под керамическим муфелем), тогда и (рис. 30, б). В итоге из уравнения (101) получим

(102)

Существует много примеров работы печей, когда режим практичес­ки соответствует предельному случаю косвенного направленного теп­лообмена. Очень близок к такому режиму теплообмен в печах с плос­копламенными горелками, расположенными на своде печи. Как извест­но, плоскопламенные горелки обеспечивают растекание пламени тон­ким слоем по огнеупорной футеровке, сгорание топлива в этом слое и поэтому преимущественный нагрев футеровки . Применение керамических радиационных горелок (горелок инфракрасного излучения) позволяет осуществлять сжигание топлива с высокой теплотой сгорания внутри пористой керамики или в тончайшем газовом слое вблизи по­верхности керамики (поверхностное сжигание). Панели из таких горе­лок могут заменять собой футеровку, являясь мощными излучателями, обеспечивающими высокую плотность теплового потока на поверхность нагрева. Собственное излучение тонкого слоя газов в сторону поверх­ности нагрева незначительно и поэтому в данном случае мы имеем дело с типичным предельным случаем косвенного направленного теплообме­на, при котором вся теплоотдача к металлу обеспечивается излучением кладки. Применение обычных беспламенных горелок с керамическим туннелем и направлением продуктов сгорания тонким слоем на футеров­ку также позволяет организовать теплообмен, приближающийся к пре­дельному случаю косвенного направленного теплообмена.

Применение плоскопламенных и радиационных горелок, обеспечи­вающих излучение на металл керамических поверхностей, дополни­тельно способствует эффективному осуществлению режима косвенного направленного теплообмена, так как заменяет излучение газообразных продуктов сгорания с полосчатым спектром на излучение твердых поверхностей со сплошным спектром.

В случае косвенного направленного теплообмена газы, заполняющие рабочее пространство печи, практически не оказывают влияния на вели­чину плотности результирующего теплового потока к поверхности нагре­ва и поэтому их степень черноты должна быть как можно меньше. Для обеспечения режима косвенного направленного теплообмена имеют преимущества те виды топлива, которые не склонны в процессе сжига­ния к образованию сажи, т.е. топлива не содержащие тяжелых углево­дородов.

Известны солнечные печи, т.е. печи, в которых сконцентрированные с помощью системы зеркал лучи солнца направляются непосредственно на поверхность нагрева или на футеровку печи. В первом случае печи работают по принципу прямого направленного теплообмена и могут применяться для плавления металлов с особо высокой температурой плавления. Во втором случае имеет место предельный случай косвен­ного направленного теплообмена.

Как было показано ранее, ограждение печи может быть отражате­лем-рефлектором, возвращающим падающее на него излучение на по­верхность нагрева.

Рис. 31. Схема рефлекторной печи

При этом температура ограждения может быть низ­кой при высокой интенсивности теплоотдачи на поверхность нагрева. Именно в данном случае отпадают ограничения, связанные со стойкостью футеровки, и производительность таких электрических печей зависит только от введенной в печь мощности. На рис. 31 приведена схема рефлекторной печи с водоохлаждаемым ограждением, выполненным в виде металлических кессонов, поверх­ность стенок которых, обращенная в рабочее пространство печи, покры­та полированным алюминием.

Коэффициент отражения полированного алюминия при температурах до 30 °С достигает 0,96, и поэтому потери тепла с водой не превышают потерь тепла обычных камерных печей че­рез футеровку. Слабое место подобных печей — необходимость поддер­жания поверхности отражения в чистом виде и без осаждения на нее влаги. В силу указанного надежнее работают вакуумные рефлекторные печи. В случае применения в рефлекторных печах защитной атмосферы она должна иметь точку росы ниже 30 °С и быть тонко очищенной.

Рефлекторные печи могут быть сконструированы как для режима прямого, так и для режима косвенного направленного теплообмена, причем последние предпочтительнее, так как при расположении нагре­вателей вдоль стен легче обеспечивается равномерность обогрева по­верхности нагрева. Печи данного типа предназначены главным образом для лабораторных целей.

Используя уравнение (77), пренебрегая собственным излучением хо­лодного ограждения рефлекторных печей и обозначая через R_K отража­тельную способность поверхности ограждения, получим следующее вы­ражение:

(103)

из которого следует, что рефлекторные печи работают тем интенсивнее, чем больше отражательная способность ограждения R_K и чем меньше степень черноты газов е_п, например защитных, заполняющих рабочее пространство печи и имеющих температуру, близкую к температуре поверхности нагрева. В частности, поэтому вакуумные рефлекторные печи являются наиболее эффективными.

В камерной муфельной печи для нагрева металлов в защитной ат­мосфере в целях термообработки можно выделить две самостоятель­ные теплообменные зоны, разумеется, взаимосвязанные. Первая зона, где расположено пламя — это пространство между футеровкой и муфе­лем. Режим теплообмена здесь может быть и прямой направленный, и косвенный направленный, удовлетворяющий условию равномерности обогрева стенок муфеля. Во второй зоне внутри муфеля имеет место предельный случай косвенного направленного теплообмена [уравнение (102)]. В данном случае излучающая внутренняя поверхность стенок муфеля получает тепло от наружной поверхности стенок муфеля теп­лопроводностью.

Учтя степень черноты газов внутри муфеля, из уравнения (102) получим

(104)

Из формулы видно, что интенсивность теплообмена в муфеле всецело опре­деляется теплом, поступающим через стенки муфеля q_к, и тем выше, чем лучепрозрачнее газы, заполняющие муфель.