Теплотехнические расчеты металлургических печей

Зобнин Б. Ф., Казяев М. Д., Китаев Б. И, Лисиенко В. Г., Телегин А. С, Ярошенко Ю. Г.

Металлургия, 1982 г.

1. Особенности печей, основы их расчета и последовательность проектирования

Рассчитываемые процессы. В металлургических печах процессы тепловыделения, движения печной среды и теплообмена происходят в тесной взаимной связи. Назначение печи состоит в передаче тепла технологическим материалам, но при этом неизбежно часть тепла поглощается печными стенками и другими побочными тепло-приемниками.

Совокупность процессов теплообмена, происходящих в рабочем пространстве печи обычно при посредстве движущейся печной среды, называется тепловой работой. Ее подразделяют на полезную, которая представляет собой передачу тепла технологическим материалам, и потерянную, включающую все иные виды потребления тепла.

Теплотехнические расчеты, выполняемые с целью конструирования новой лечи или выяснения изменений, которые произойдут в тепловой работе существующей печи при переходе к другим условиям эксплуатации, должны выполняться комплексно, т.е. охватывать все теплотехнические процессы.

Все теплотехнические расчеты основаны на теориитеплопроводности и закономерностях внешнего теплообмена, учитывающих процессы тепловыделения, и движения печной среды. На внешний теплообмен в основном влияет конструкция печи, поскольку его полиостью или частично определяются: источник и способпередачи тепла; интенсивность тепловыделения и распределение тепла (тепловой режим); соответствующие изменения во времени и пространстве температуры печной среды и обрабатываемых материалов (температурный режим); характер движения печной среды, включая распределение давления (газодинамический режим).

Дифференциальное уравнениетеплопроводности и краевые (начальные и граничные) условия, необходимые

сти теплотехнических процессов, происходящих в печах. Поэтому методика теплотехнических расчетов различ- ных печей должна быть основана на решениях дифференциального уравнениятеплопроводности в соответствующей специфической форме при тех или иных конкретных краевых условиях. Если необходимое точное решение уравнения пока невозможно или уравнение не приведено к удобному для решения виду, методика приближенного расчета должна в целом соответствовать постановке задачи, принятой в теории теплопроводности.

Классификация печей. Металлургические печи, расчет которых рассмотрен в этой книге, подразделены по технологическому назначению на нагревательные и сушильные. Дополнительно в соответствии с классификацией режимов работы выделены методы теплотехнических расчетов печей с весьма разнообразными технологическими функциями, но с тем общим признаком, что процессы тепловой обработки в них протекают в плотном слое технологических материалов. Эти лечи названы слоевыми.

Как уже отмечалось, граничные условия зависят от конструкции печи и режима ее работы, причем основное влияние на внешний теплообмен оказывает конструкция. Коренные различия в конструкции печей и соответственно в режиме работы обусловлены положением в их рабочем пространстве материала, подвергаемого тепловой обработке. В зависимости от этого печи разделяют на камерные и методические. Эти названия относятся в основном к нагревательным печам, но по существу они могут быть распространены и на печи другого технологического назначения.

v В камерных печах нагреваемый материал неподвижен. Поэтому конструкции камерных печей и их эксплуатационный режим должны быть такими, чтобы во всех частях рабочего пространства обеспечивались одинаковые условияпередачи тепла нагреваемому материалу. камерные печи можно разделить на печи с постоянной и изменяющейся рабочей температурой, т. е. температурой, которую показывает термопара, находящаяся в состояниитеплообмена с газовой средой, с поверхностями стенок и нагреваемого материала.

Методическими считают печи с передвижением материала навстречу нагревающим его газам или в одном направлении с ними, или, наконец, при комбинации указанных схем между собой, а также с поперечным по отношению к направлению движения материала вводом газов. Соответственно схемамдвижения различают про-тивоточпые, прямоточные, прямоточно-противоточные, перекрестно-противоточные и перекрестно-прямоточные методические печи. Возможно объединение в одной лечи и нескольких перечисленных схем. В методических печах не требуется создавать одинаковых условий нагрева во всем рабочем пространстве. Необходим только по возможности одинаковый нагрев материала в поперечных сечениях печного канала (перпендикулярных к направлению движения материала).

В классификацию печей для более рационального конструирования и расчета необходимо ввести также промежуточную категорию, характеризуемую сочетанием особенностей нагрева в камерных и методических печах — так называемые проходные печи. Хотя в этих печах нагреваемый материал перемещается, но его нагрев можно рассчитывать на основе зависимостей, относящихся к камерным печам. Это объясняется тем, что при перекрестном движении газов по отношению к потоку нагреваемого материала (основной признак проходных печей) граничные условия могут быть такими же, как для камерных печей.

Последовательность проектирования. Собственно расчетам предшествует получение задания, предварительный выбор конструкции или ознакомление с имеющейся конструкцией (если рассчитывается существующая печь), а также сбор сведений о работе аналогичных печей в условиях, подобных предусмотренным в задании.

Все расчеты, относящиеся к печи, требуют знания ее конструкции. Поэтому как при учебном, так и при инженерном проектировании выбор конструкции предшествует расчету. В первом случае конструкция обычно задается руководителем проектирования и соответствуй какой-либо печи, существующей на заводе, где студенты проходят производственную практику. Если в учебном проекте полностью воспроизводятся конструкция печи, а также все технологические и теплотехнические условия ее работы, следует ожидать совпадения результатов расчета с опытными данными. При внесении в конструкцию и режимы работы печи каких-либо изменений задачей расчета становится выяснение последствий этих изменений. При инженерном проектировании, если конструкция печи не повторяется, а создается заново, необходимо путем физического модечирования процессов,