title-icon
Яндекс.Метрика

Теплопередача

Металлургические процессы (плавление, дистилляция) протекают при 1150—1450° С. Реже встречаются высокотемпературные процессы, протекающие при 1600—1700° С. В металлургии редких металлов применяют в производствах малого масштаба еще более высокие температуры — 3000—4000° С.
После нагрева сырья до нужной температуры требуется в одних случаях поддерживать эту температуру, чтобы обеспечить выделение из расплава (при расслаивании) ценной части, а в других подводить тепло, необходимое для проведения эндотермической реакции. В этих случаях нужно уметь подвести к сырью и расплаву тепло и сделать это с минимальной затратой энергии.
Если нагрев производится непосредственно пропусканием через изделие электрического тока, то следует предупреждать излишние потери тепла в окружающую среду. В общем случае как при подводе, так и отводе тепла мы имеем дело с теплопередачей.
В соответствии со 2-м законом термодинамики самопроизвольная передача тепла возможна только от более горячего тела к более холодному. Известны три вида теплопередачи:
Tеплопроводностью. Процесс характеризуется последовательной передачей энергии от одних частиц к другим при их тесном соприкосновении, например, в твердом теле, этим путем тепло переходит с горячей стороны к холодной. Передача тепла происходит за счет колебательного движения частиц около мест, которые они занимают в кристаллической решетке (волны, касания). В неподвижных воздухе и воде передача тепла осуществляется тоже теплопроводностью.
Тепловым излучением. Передача тепла происходит между телами, находящимися на некотором расстоянии. Тепловая энергия горячего тела превращается в лучистую (волновую), достигает поверхности более холодного тела и вновь превращается здесь в тепловую. Такова, например, передача тепла от электрической дуги, от раскаленных углей.
Конвекцией. Теплопередача происходит путем перемещения частиц, что легко осуществляется в невязких жидкостях и особенно в газах. Конвекция может быть естественной, возникающей вследствие различной плотности горячих и холодных участков, либо искусственной от перемешивания. Хорошо известные примеры конвективных потоков — дым костра, закипающая вода.
Рассмотрим основные закономерности теплопередачи.
Теплопередача

Передача тепла теплопроводностью — закон Фурье. Представим себе плоскую стенку, например стену дома или печи, прямоугольную кирпичную кладку (рис. 2, а). Пусть одна сторона этой стенки постоянно имеет температуру t1, а вторая t2. Такой режим называется установившимся или стационарным. При толщине стенки S, м и площади F, м2 через стенку проходит постоянный тепловой поток Закон (постулат) Фурье утверждает: поток тепла через плоскую пластину прямо пропорционален разности температур на ее поверхностях и обратно пропорционален ее толщине. Количество тепла, протекающее через стенку за время т, находят по уравнению Фурье

где Л — коэффициент теплопроводности. Его определяют как количество тепла, проходящее через стенку, когда значения всех величин, входящих в уравнение, равны единице Размерность Л — Дж (м*ч град). Величина К для сталей — около 210, для алюминия 735, для меди 1340. Теплоизоляционные материалы характеризуются значением Л = 0,33 — 0,38 (асбест 0,8). Для воздуха Л равно 0,08, для воды 0,5. Лучшим изолятором является воздух и отсюда следует, что пористые изделия, например пеношамот (плотность 0,25 г/см3), являются хорошими теплоизоляторами. Основные виды огнеупорных кирпичей, применяемых для сооружения печей заводов цветной металлургии, имеют в рабочих условиях следующую теплопроводность: шамот около 3,57 (0,85), динас 5,4 (1,3), магнезит 16,8 (4,0).
Теплопроводность магнезита почти в пять раз больше, чем у шамота. Ho он устойчив при температуре 1700—1750° С, а шамот выдерживает нагрев только до 1100° С. Чтобы работать с высокой производительностью, надо иметь внутри печи высокую температуру и, следовательно, строить печь из магнезита или хромомагнезита. Ho при высокой теплопроводности магнезита внешняя стенка тоже будет горячей и работать у печи будет трудно, а потери тепла будут большими. Чтобы этого не происходило, целесообразно класть стены из двух видов кирпича: магнезита внутри и шамота снаружи. Тогда суммарная теплопроводность стенки определяется по уравнению

где tв — температура внутренней стенки; tн — наружной; S — толщина стенок; Л — коэффициенты теплопроводности.
Если число слоев, составляющих стенку, увеличить, то в знаменатель надо ввести соответствующие им члены S3 Л3; S4/Л4 и т. д.
Рассмотрим следующий пример. Искусственно созданы следующие условия: температура внутри печи 1600° С, стенки снаружи 100° С. Требуется найти тепловой поток за 1 ч на 1 м2 через стенку толщиной 1 м: а) из магнезита; б) комбинированную из шамота и магнезита (по 0,5 м).
Решение.

Теплопоток через комбинированную стенку почти в три раза меньше. Кроме того, комбинированная стенка дешевле, так как магнезит тяжелее и дороже шамота. Теплопроводность зависит от температуры и часто возрастает с ее повышением.
На металлургических заводах широко применяют нагреватели (холодильники) типа «труба в трубе». В этом случае тепло передается через цилиндрическую стенку, и поэтому поверхности стенок не одинаковы. В зависимости от необходимой точности расчета диаметра труб и толщины их стенок можно иногда считать поверхность теплообмена плоской. Для тру б диаметром 0,8—0,9 м результаты будут удовлетворительными. Ho если труба имеет диаметр меньше 0,8 м и толстую стенку, то ошибка будет заметной. В этом случае вычисление следует вести по уравнению

где l — длина трубы, м.
Tеплопередача конвекцией

Количество тепла, передаваемое конвекцией от стенки, имеющей температуру tс, к газу или жидкости, движущимся око то этой стенки, в принципе определяется по уравнению Q = акFт(tс — tг).
Особенностью формулы является включение в нее температуры газа (жидкости) tг и ак. Температура газа определяется как температура в помещении. Коэффициент ак имеет размерность кДж (м2*ч*град).
Для подсчета ак для частного случая естественного движения воздуха вверх вдоль вертикальной стенки пользуются уравнением

В металлургических процессах конвекция имеет определяющее значение при передаче тепла в руднотермических электропечах от движущегося шлака к откосам шихты. В других случаях значение ее не более 10% в общем потоке тепла от теплоисточника к шихте
Из вспомогательной аппаратуры на металлургических заводах применяют теплообменники для жидкости и воздухоподогреватели. Чаще всего эту аппаратуру строят по типу «труба в трубе» или пучка труб в одном коробе. Теплопередача в такой аппаратуре осуществляется в основном конвекцией. Определить коэффициент ак можно по формулам:

где w — скорость потока, м/с; d — диаметр трубы, м; А — коэффициент, равный 1190 при t = 0° С и 2900 при t = 100°С.
Теплопередача излучением

Длина тепловых (инфракрасных) волн 0,8—40 мкм.
Достигая поверхности других тел, лучистая энергия усиливает движение составляющих их частиц, т. е. преобразуется в тепло. Возможны три результата взаимодействия электромагнитного излучения с частицами вещества: поглощение, отражение, пропускание.
Физическое тепло, при любой температуре полностью поглощающее все падающее на него электромагнитное излучение независимо от длины волн называется абсолютно черным; тело, полностью отражающее излучение — абсолютно белым; тело, полностью пропускающее излучение — абсолютно прозрачным.
В природе нет тел с этими абсолютными свойствами, но имеется много случаев близкого подобия им. Шероховатые черные тела почти полностью поглощают энергию. Воздух почти полностью прозрачен. Полированные металлы близки к абсолютно белому телу по своей отражающей способности.
Идеальной моделью абсолютно черного тела является небольшое отверстие в стенке плотного ящика. Все лучи, которые попадают в это отверстие, поглощаются внутри ящика.
Природные тела, не обладающие свойствами абсолютных, принято называть серыми.
Для учета теплового излучения пользуются следующими законами:
Законом Планка, указывающим, что при заданной температуре передача тепла происходит в основном лучами с определенной длиной волны (Л).
Законом Вина (или законом смещенья) (ЛT = С), согласно которому с ростом температуры увеличивается доля тепла, передаваемого лучами с короткой волной. Как известно, лучи с короткой волной более активны, обладают большей проникающей способностью. Следовательно воздействие коротких волн на нагреваемое тело будет более сильным.
Законом Кирхгофа, устанавливающим, что для всех серых тел отношение их излучательной способности Eс к поглощающей Aс есть величина постоянная, равная излучению абсолютно черного тела E0, т. е. Eс/Aс = const = E0. Отсюда, зная Aс, можно найти Eс = AсE0, что очень важно для практических расчетов.
Законом Ламберта, указывающим, что основной поток тепла — около 32% от полного, направлен по нормали к поверхности излучающего тела.
В известной мере обобщающим предыдущие является закон Стефана—Больцмана, устанавливающий, что полное тепловое излучение абсолютно черного тела прямо пропорционально абсолютной температуре в четвертой степени: E0 = CT4. Здесь С — важная константа, равная 4,9*10в-8 ккал/(м2*ч*°К4).
Для расчетов излучения любых тел закон Стефана—Больцмана записывают в следующей форме:

где е — коэффициент, учитывающий отклонение свойств данного тела от абсолютно черного. Коэффициент е учитывает степень черноты тела. С повышением температуры передача тепла излучением быстро растет. Например, имеем, в относительных единицах:

Передача тепла излучением в металлургии ниже 500—600° С обычно незначительна. Представление о степени черноты материалов дает табл. 6.

Излучение тепла происходит не только от твердых тел, но и от газов. Излучение двухатомных газов, типичных для металлургических процессов, т. е. азота, кислорода и водорода, очень слабое. Эти газы можно считать прозрачными (диатермичными). Трехатомные газы — двуокись углерода, пары воды, сернистый ангидрид — обладают значительной излучательной способностью. Для подсчета излучения газов пользуются уравнением Стефана—Больцмана в той же форме, что и для серых тел. Коэффициенты черноты газов зависят от вида газа, его парциального давления, температуры, толщины и формы газового слоя. Лучистый теплообмен между расплавами, твердыми телами и газами имеет определяющее значение — 85—95% в пламенных (отражательных) печах. Принципиально поток тепла от греющего (горячего) тела к менее горячему (нагреваемому) телу может быть определен как разность прихода и расхода лучистого тепла. Каждая из составляющих (приход и расход) определяется на основе закона Стефана—Больцмана

В уравнение, кроме уже известных величин, введен угол облучения. Часто определение угла облучения весьма затруднительно. Поэтому нет общего решения задачи. Здесь мы ограничимся четырьмя частными случаями:
1. Теплопередача между двумя параллельными поверхностями, например в печах сопротивления, когда греющие спирали находятся в своде, а нагреваемый материал — на поду. В этом случае степень черноты равна

где е1 и е2 — степени черноты греющей и нагреваемой поверхностей.
Например, для миксеров алюминиевых заводов суммарную степень черноты найдем по табл. 6:

2. Теплопередача в замкнутом пространстве, когда одно тело находится внутри другого. Это возможно в электрических печах сопротивления, когда внутреннее пространство нагревается лучеиспусканием от раскаленного стержня или проволоки. Аналогично происходит теплообмен при осаждении на горячей проволоке титана или никеля из газовой фазы. Уравнение в этом случае имеет вид

где F1 — окруженная поверхность.
Суммарный коэффициент черноты е вычисляют по формуле

Поскольку часто отношение поверхности проволоки F1 к поверхности охватывающего пространства F2 бывает очень малой величиной, то можно пренебречь вторым членом в знаменателе, и тогда е = е1.
3. Излучение (потеря) тепла через отверстие в стенке печи. Поток тепла направлен от горячей стороны к холодной. Входное и выходное отверстия в этом случае являются абсолютно черными телами. Чаще всего их площади равны. Расчет ведут по уравнению

В этом уравнении новой величиной является коэффициент диафрагмирования Кд, зависящий от формы отверстия. Кд определяется толщиной стенки, шириной и высотой отверстия, которые обычно находят по рис. 3.

4. Теплопередача в пламенной печи. Процесс теплообмена весьма сложен. Излучение от газа попадает на свод печи, ее стены и под. Частично тепло поглощается стенами, подом и сводом, частично излучается ими и опять передается газу. От газа тепло излучается снова.
В отражательных печах медеплавильного производства стены закрыты шихтой и тепло воспринимается ее поверхностью. В нагревательных печах на поду лежат нагреваемые изделия и тепло воспринимается ими. Часть тепла передается конвекцией. Сумму этих сложных явлений можно учесть, определяя приведенный коэффициент Сгкм черноты по формуле

В уравнении величина 1/а учитывает угол облучения и равна примерно Fс:Fм, т. е. отношению поверхности кладки свода и стен к поверхности материала. Для приблизительных расчетов можно принимать ем = 0,7—0,8; ег = 0,26—0,32. Значение 1/а колеблется от 0,9 до 2,5 и должно подсчитываться в каждом случае. После определения значения всех величин для расчета Сгкм определяют тепловой поток к поверхности материала или слитков по уравнению

Tг и Tм в этом уравнении — средние температуры газов (начало и конец печи) и материала (от загрузки до выгрузки).
Полученную величину теплового потока следует умножить на 1,05—1,10 для учета тепла, передаваемого конвекцией.
Более подробные данные для расчета теплообмена в пламенных печах следует брать в специальных руководствах по теплотехнике. Здесь ограничимся следующими практическими указаниями:
1. Следует получать наиболее высокую температуру факела T1, применяя дутье, обогащенное кислородом, подсушенные уголь, кокс. Мазут надо перед употреблением отстаивать от воды. Избыток кислорода воздуха для горения топлива должен быть минимальным, соответствовать заданной технологии.
2. Кладка печи должна быть плотной. Через отверстия в печь попадает (подсасывается) холодный воздух и снижает температуру факела (выброс газов из печи недопустим по санитарным нормам). Кроме того, через отверстия теряется тепло излучением.
3. Пламя в печи передает тепло материалам (шихте) лучше, если в потоке газов имеются раскаленные твердые частицы, такие, как зола топлива, минеральная взвесь из мазута, частицы сажи, получающиеся от разложения молекул углеводородов газа или мазута. Коэффициент увеличения теплопередачи от светящегося пламени сравнительно с прозрачным равен 1,1—1,2.
4. Температура тепловоспринимающей поверхности T2 по возможности должна быть минимальной. Поскольку для плавильных печей воспринимающая поверхность имеет температуру, примерно равную температуре шлака, то это значит, что надо выбирать по возможности легкоплавкие шлаки (1150—1300° С).
5. Шихта должна быть хорошо измельчена и перемешана (для шахтных печей это делают во время подготовки сырья на переделах агломерации или брикетирования, для отражательных печей — во время обжига или шихтовки), чтобы поверхность ее была достаточно черной. Поток газов должен заполнять все сечение печи.

title-icon Подобные новости