Теплотехнические расчеты металлургических печей
![Теплотехнические расчеты металлургических печей](/sites/default/files/oblozhki/Tieplotiekhnichieskiie_raschiety_mietallurghichieskikh_piechiei.jpg)
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,