Теоретические основы нагрева металла в печах — КиберПедия 

Наброски и зарисовки растений, плодов, цветов: Освоить конструктивное построение структуры дерева через зарисовки отдельных деревьев, группы деревьев...

Эмиссия газов от очистных сооружений канализации: В последние годы внимание мирового сообщества сосредоточено на экологических проблемах...

Теоретические основы нагрева металла в печах

2017-10-16 1201
Теоретические основы нагрева металла в печах 0.00 из 5.00 0 оценок
Заказать работу

На поверхности нагреваемого в печи изделия протекает сложный тепловой процесс, включающий все виды 0теплообмена: теплопроводность, конвективный теплообмен и тепловое излучение (лучеиспускание). Основными формами теплообмена, определяющими нагрев изделия в газовой среде печи, являются лучеиспускание и конвективный теплообмен. Для высокотемпературных и низкотемпературных печей, для различных атмосфер, заполняющих рабочее пространство печей, для разных сплавов соотношение интенсивностей этих форм теплообмена различное, что отражается на процессе нагрева изделий.

Интенсивность теплообмена между твердым телом и окружающей средой принято характеризовать коэффициентом теплоотдачи a, с которым непосредственно связан удельный тепловой поток на поверхности нагреваемого тела q. По закону Ньютона

  q =a·(t Пt ПОВ), (1)

где t П — температура среды (печи), °C; t ПОВ — температура поверхности нагреваемого тела (изделия),°C.

Учитывая сложность теплового процесса на поверхности нагреваемого изделия, коэффициент теплоотдачи считают сложной величиной, которая равна сумме коэффициентов теплоотдачи лучеиспусканием aЛ и конвекцией aК:

  a=aЛ + aК. (2)

Методы определения aЛ и aК выбираются в зависимости от условий теплообмена в печи. Величина a меняется в процессе нагрева изделий, однако в расчётах продолжительности нагрева изделий эти изменения не учитываются, и принимается среднее значение a.

В зависимости от условий теплообмена и способа работы печи (печи непрерывного или периодического действия) возможны три принципиально различных случая нагрева изделий. Во-первых, нагрев при постоянной температуре печи и переменном тепловом потоке на поверхности изделия. Этот случай нагрева характерен для печей периодического действия, в которых тепло к изделию передается в основном за счет теплового излучения, а также для электрических печей с искусственной циркуляцией воздуха (конвекционные печи), имеющих небольшие размеры рабочего пространства, и печей-ванн. Во-вторых, нагрев при переменной температуре печи, но постоянном тепловом потоке на поверхности изделия. Этот случай нагрева наблюдается в методических печах с преобладанием теплообмена лучеиспусканием, а также в печах периодического действия при резком падении температуры печи в момент загрузки в печь холодной массивной садки изделий. В-третьих, нагрев при переменной температуре печи и переменном тепловом потоке. Такой процесс нагрева характерен для конвекционных печей, имеющих большие размеры рабочего пространства.

Для расчёта продолжительности нагрева изделий в первом случае необходимо знать величину коэффициента теплоотдачи и температуру печи. во втором случае необходимо предварительно определить удельный тепловой поток на поверхности изделия. В третьем случае часто задаются коэффициентом теплоотдачи и законом изменения температуры печи.

После загрузки холодного изделия в печь происходит интенсивный нагрев его поверхностных слоев. Нагрев центральных слоев протекает с меньшей скоростью из-за термического сопротивления изделия. Изменяясь по величине, он может сохраняться в течение всего времени нагрева изделия. Это значительно усложняет определение времени нагрева изделия.

Величина перепада температуры по толщине изделия зависит от отношения термического сопротивления изделия к термическому сопротивлению передачи тепла к его поверхности. Чем больше указанное отношение, тем больше перепад температуры по толщине изделия. В теории теплообмена отношение внутреннего термического сопротивления к внешнему термическому сопротивлению на его поверхности определяется числом Био.

  Bi = , (3)

где S /l— внутреннее термическое сопротивление изделия; S — характерный геометрический размер изделия: для пластины — половина её толщины при двустороннем нагреве и полная толщина в случае одностороннего нагрева, для цилиндра и шара — их радиусы;l— коэффициент теплопроводности металла;1/a— внешнее термическое сопротивление;a— коэффициент теплоотдачи.

Если величина Bi близка к нулю, то термическим сопротивлением изделия можно пренебречь, и его нагрев определяется только внешним теплообменом. В этом случае перепад температуры по сечению изделия можно не учитывать при определении времени его нагрева. Такие изделия называются «тонкими».

За условную границу между тонкими и массивными изделиями принимают такое сечение, для которого число Био равно 0,25; при этом значении Bi максимальный перепад температуры по сечению изделия составляет 10 % от разности начальных температур изделия t 0 и внешней среды, то есть D t =0,1(t П- t 0). Таким образом, если Bi< 0,25, расчёты выполняются по формулам для тонких изделий, если же
Bi> 0,25 — по методике, принятой для массивных изделий.

При расчётах продолжительности нагрева изделий необходимо также знать их теплофизические свойства, прежде всего плотность g, удельную теплоёмкость c и коэффициент теплопроводности —l. Для металлов и сплавов указанные параметры изменяются с изменением температуры. Для уменьшения погрешности расчётов следует брать средние в рассматриваемом интервале температур значения теплофизических констант.

2.1.2. Особенности расчёта суммарного коэффициента
теплоотдачи в электрических и топливных печах

Рассмотрим определение средних значений коэффициентов теплоотдачи на поверхности изделий, нагреваемых в электрических и топливных печах.

Электрические печи. В электрических печах без искусственной циркуляции воздуха основным видом теплообмена, определяющим нагрев изделий, является теплообмен лучеиспусканием. Конвективный теплообмен в результате свободного движения воздуха около поверхности нагреваемого изделия имеет небольшую интенсивность и коэффициент теплоотдачи конвекцией в нагревательной камере печей сопротивления с температурой выше 700 °С приближенно может быть принят равным 10...15 Вт/(м2·К). Для более низких температур он может быть подсчитан по одной из формул, изложенных ниже в разделе о конвективном теплообмене в топливных печах.

В частном случае при нагреве изделий из алюминиевых сплавов в низкотемпературных конвекционных печах величина коэффициента теплоотдачи лучеиспусканием невелика из-за малой степени черноты изделий:

 

Температура печи, °С            
aЛ, Вт/(м2·K) 1,9 3,6 6,3 10,1 15,2 21,8

 

Коэффициент теплоотдачи конвекцией в этом случае имеет большее значение и может быть вычислен по следующей формуле:

  aК= k · w 0,8, (4)

где k — коэффициент, зависящий от температуры печи:

 

Температура печи, °С            
k 4,81 4,19 3,74 3,37 3,20 3,09

 

w — скорость воздушного потока в рабочей камере печи, м/с.

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием в общем случае определяется по формуле

  aЛ= C ПР , (5)

где T П и T М — текущие значения температур соответственно печи и металла, К; C ПР — приведенный коэффициент излучения

  , (6)

где C 0=5,67 Вт/(м2·K4) — константа излучения абсолютно черного тела; eM — степень черноты нагреваемого металла; eП — степень черноты кладки печи; F М — тепловоспринимающая поверхность нагреваемого металла, м2; F П — поверхность нагревательной камеры печи, м2.

При нагреве в среднетемпературных электрических печах с воздушной атмосферой значение C ПР » 2,5...3,0.

При изменении температуры в рабочей камере печи среднее значение коэффициента теплоотдачи определяется по формуле:

, (7)

где и — коэффициенты теплоотдачи излучением соответственно в начале и в конце температурного интервала нагреваемого металла, Вт/(м2·K); T ПН и T МН — температуры соответственно печи и металла в начале нагрева, К; T ПК и T МК — температуры соответственно печи и металла в конце нагрева, К; и — приведенные коэффициенты излучения соответственно в начале и конце нагрева, Вт/(м2·К4).

Если в процессе нагрева изделий температура в нагревательной камере остается неизменной, то

  , (8)

При определении aЛ в печи с постоянной температурой можно также пользоваться формулой

  , (9)

где T Мср — средняя за время нагрева температура изделия, К:

  T Мср = 1/3 (t МН+2 t МК) + 273, (10)

где t МН и t МК — температуры изделия соответственно в начале и в конце температурного интервала нагрева, °С.

Средняя температура нагреваемого металла (T Мср) может быть также определена по формуле

  = . (11)

В печах с постоянной температурой (700...900 °С) коэффициент теплоотдачи излучением приближенно можно подсчитать по эмпирической формуле:

  aЛ » 0,03 C ПР . (12)

Топливные печи. Дымовые газы, заполняющие рабочее пространство топливной печи, передают тепло лучеиспусканием и конвекцией нагреваемым изделиям и стенкам печи. Последние излучают тепло на изделия. Все эти процессы учитываются при определении коэффициента теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле:

  aЛ=5,67 K eМ , (13)

где T Г — температура дымовых газов в рабочем пространстве печи, К; T Мср — средняя температура нагреваемого металла, К; eМ — степень черноты поверхности изделия; K — коэффициент, учитывающий взаимные процессы лучеиспускания дымовых газов, изделия и стенок печи.

По данным Г.Л.Поляка, коэффициент K выражается формулой:

  , (14)

где eГ — степень черноты дымовых газов, w— степень развития кладки, её численное значение приблизительно равно отношению суммарной внутренней поверхности стенок и свода печи F П к воспринимающей тепловое излучение поверхности металла F М:

  . (15)

Степень черноты дымовых газов зависит от их состава. В состав печных дымовых газов в основном входят азот (N2), углекислый газ (CO2) и водяной пар (H2O).

Одно- и двухатомные газы имеют ничтожно малую интенсивность теплового излучения. Поэтому степень черноты дымовых газов определяется из выражения:

  eГ= + b· , (16)

где — степень черноты углекислого газа; — условная степень черноты водяного пара; b — поправочный коэффициент на парциальное давление водяного пара.

Степень черноты газа зависит от его температуры, парциального давления p и средней эффективной длины лучей S ЭФ в рассматриваемом газовом объёме. Величина p, Н/см2(атм) численно равна объёмной доле газа в составе продуктов горения. Величину S ЭФ приближенно можно определить из выражения:

  S ЭФ = (0,8...0,9)· , м, (17)

где V — объём, заполненный излучающим газом, м3; F — площадь всех стенок, ограничивающих этот объём, м2.

Для определения степени черноты и и коэффициента b применяются номограммы (рис. 1).

Множитель К в зависимости от степени черноты печных газов и степени развития кладки при b*=0,85 и b*=0,95, где b*=eМ+eГ(1-eМ), можно определить по графику, предложенному Д.В.Будриным (рис.2).

Таким образом, приведенный коэффициент излучения газа, кладки и металла, входящий в формулу коэффициента теплоотдачи излучением, зависит от степени черноты металла и газов и степени развития кладки. Его значение будет увеличиваться при повышении eМ и eГ и степени развития кладки (то есть при увеличении F П и уменьшении F М).

При нагреве в пламенных печах с eМ=0,8, eГ=0,30...0,35 и w=3,0...3,5 значение произведения 5,67·eМ· K = C ГКМ = 2,7...3,3. При нагреве в защитной атмосфере (ПС–0,6) C ГКМ=1,4, а для атмосферы ДА — C ГКМ=1,2.

Интенсивность конвективного теплообмена в рабочем пространстве печи зависит от скорости движения дымовых газов, а также от их физических свойств, формы и размеров нагреваемых изделий, температуры газов и кладки. Для среднетемпературных печей, не имеющих принудительной циркуляции печной атмосферы, он может быть принят равным 10...15 Вт/(м2·К).

При вынужденном движении воздуха или дымовых газов в каналах в условиях наиболее характерного для печей турбулентного режима коэффициент теплоотдачи конвекцией равен:

  aК = Z KL , (18)

где w — скорость движения газов, м/с; d — эквивалентный диаметр канала (для каналов круглого сечения , м; здесь S — площадь сечения канала, м2; P — периметр сечения, м); Z — коэффициент, зависящий от температуры дымовых газов, а именно:


 

t П, °C          
Z 1,99 1,77 1,61 1,48 1,39

 

K L — коэффициент, зависящий от отношения длины канала L к его диаметру d:

 

L / d                
K L 1,40 1,24 1,14 1,09 1,07 1,04 1,02 1,00

 

 

— коэффициент, величина которого зависит от содержания водяных паров в дымовых газах или воздушном потоке:

 

H2O, %                
1,00 1,18 1,24 1,29 1,34 1,39 1,43 1,47

 

Коэффициент теплоотдачи конвекцией при турбулентном движении воздуха или продуктов сгорания в каналах можно определить также с помощью следующей приближенной формулы:

  aК = 4,42 , (19)

где w 0— приведённая (0 ° C; 1,013·105 Н/м2 или 760 мм рт.ст.) скорость движения газов, м/ с; d — эквивалентный диаметр канала, м.

Если известна скорость газов w при температуре t, ° C, то

  w 0 = w. (20)

 

  а б в
Рис. 1. Номограммы для определения степени черноты СО2 (а), Н2О (б) и поправочного коэффициента b (в)

Рис. 2. График для расчёта множителя K

 

Коэффициент теплоотдачи конвекцией при турбулентном движении воздуха или продуктов сгорания в каналах можно определить также с помощью следующей приближенной формулы:

  aК = 4,42 , (19)

где w 0— приведённая (0 ° C; 1,013·105 Н/м2 или 760 мм рт.ст.) скорость движения газов, м/ с; d — эквивалентный диаметр канала, м.

Если известна скорость газов w при температуре t, ° C, то

  w 0 = w. (20)

Для вынужденного движения газов вдоль плоской поверхности при приближённых расчётах коэффициент теплоотдачи конвекцией определяется по следующим формулам [2, 6]:

 

а) при скорости движения газов w 0£ 4,65 м/с:

для полированной поверхности aК = 5,58 + 4,25 w 0,

для прокатанной поверхности aК = 5,81 + 4,25 w 0,

для шероховатой поверхности aК = 6,16 + 4,49 w 0;

б) при скорости движения газов w 0> 4,65 м/c:

для полированной поверхности aК = 7,51 ,

для прокатанной поверхности aК = 7,53 ,

для шероховатой поверхности aК = 7,94 .


Поделиться с друзьями:

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций...

Индивидуальные очистные сооружения: К классу индивидуальных очистных сооружений относят сооружения, пропускная способность которых...

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой...

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...



© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!

0.051 с.