Тепловые и аэродинамические характеристики промышленных нагревательных печей цветной металлургии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат наук Полоников, Владимир Федорович

• Полоников, Владимир Федорович
• кандидат наук
• 1986

Оглавление диссертации кандидат наук Полоников, Владимир Федорович

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ И ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООШЕНА В РАБОЧЕЙ КАМЕРЕ ПЕЧИ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЕЛЕКТИВНОЙ МОДЕЛИ ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗА

у.

2.1. Физическая модель и аналитическое решение задачи

2.2. Анализ лучистого теплообмена в селективно излучающей и поглощающей среде

2.3. Сравнение результатов расчетов лучистого теплообмена в печи при использовании моделей селективно излучающего и условно

серого газа

2Л. Выводи

^ 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК ПЕЧЕЙ

3.1. Конструктивные особенности исследуемых нагревательных печей

3.2. Методика проведения экспериментов и

обработки результатов опытов

3.3. Результаты экспериментальных исследований

3.3.1. Поля температур в газовых потоках

3.3.2. Термограммы нагрева слитков и платности тепловых потоков

3.3.3. Тепловые балансы

Стр.

3.4. Деление тепловых потоков на конвективную и лучистую составляющую в печи с наклонный

подои

3*5. Оценка точности экспериментальных исследований

3.6. Выводы

4. ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОЧИХ КАМЕР НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

4.1. Оценка состояния действующих нагревательных печей и их аэродинамических схем

4.2. Применение теории подобия к исследованию аэродинамических характеристик рабочих

камер нагревательных печей на моделях

4.3. Расчет моделей нагревательных печей

4.4. Методика проведения эксперимента и обработки результатов опытов

4.5. Результаты и анализ опытных данных по исследованию аэродинамических характеристик действующих печей

4.6. Результаты и анализ опытных данных по исследованию аэродинамических характеристик рециркуляционной печи

4.7. Выводы

5. МОДЕРНИЗАЦИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ И СОЗДАНИЕ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПЕЧЕЙ И ТОПЛИВОС2ШГАЩИХ УСТРОЙСТВ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ П.1-П.4

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ^ - поверхностная плотность результирующего лучистого

Л о

теплового потока, Вт/м ; Ер - спектральная полусферическая степень черноты излучения поверхности;

- волновое число, и"*; Я - длина волны, м;

- полусферическая интенсивность спектрального излучения абсолютно черного тела, Вт/к;

£ - интегральная полусферическая степень черноты излучения поверхности; Е0 - полусферическая интегральная поверхностная плотность

потока излучения абсолютно черного тела, Вт/*2; сСэ ~ спектральный коэффициент поглощения газовой среды,

С, а 2,998x10® - скорость света, н~*/с;

к » 6,626x10"^ - постоянная И ланка, Дж«с;

к ш 1,38х1(Г23 - постоянная Больцмана, Лл/К;

(¿0 а 5,6693x10"® - постоянная Стефана-Больцмана, Вт/м2К^;

С., ~ 0,595НхХ0"^ - постоянная Планка, Вт-м2;

с2 « 1,4388х10~2 - постоянная Планка, мК;

£ - интегральная степень черноты излучения газовой среды;

о - поверхностная плотность конвективного теплового

'К л

потока, Вт/и ; &ск - коэффициент теплообмена конвекцией, Вт/м^Е.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Тепловые и аэродинамические характеристики промышленных нагревательных печей цветной металлургии»

ВВЕДЕНИЕ

На ШП съезде КПСС и в Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-90 года и на период до 2000 года перед цветной металлургией поставлена задача повышения производительности труда на 6~7? на базе обновления производства и прежде всего на основе технического перевооружения и реконструкции основного оборудования заводов.

Реконструкция действующих нагревательных печей связана с решением задачи повышения их производительности, автоматизации тепловых процессов и улучшения качества нагреваемой продукции. Решение этой задачи, в первую очередь, требует интенсификации теплообмена в рабочих камерах печей, обоснованного подхода к выбору газогорелочных устройств и их компановки в печи, а также эффективной организации процессов сжигания топлива. Поэтому совершенствования тепловых и аэродинамических характеристик наг? ревательных печей является актуальной задачей.

Анализ тепловых и аэродинамических характеристик действующих в отрасли печей показал, что осуществление тепловых процессов в печах ведется без достаточного лета особенностей нагрева слитков цветных металлов.

К этим особенностям следует отнести невысокий температурный уровень в печи, а также низкую степень черноты металла, обработанных поверхностей слитков в начальный период нагрева. До настоящего времени проектирование и создание таких печей в основном велось на основе опыта проектирования в черной металлургии.

Целью работы является разработка новой конструкции нагревательной печи с совершенными тепловыми и аэродинамическими характеристиками, учитывающей особенности термической обработки цвет-

ных металлов и обеспечивающей высокие технико-экономические показатели.

Решение поставленной задачи выполнено в результате теоретического анализа теплообмена в рабочей вамере печи, экспериментальных исследований тепловых и аэродинамических процессов на натурных образцах печей и моделях.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней поставлены и решены следующие задачи.

На основе теоретических и экспериментальных исследований теплообмена в рабочей камере печи доказана равнозначность конвективного и лучистого тепловых потоков при нагреве слитков цветных металлов с обработанной поверхностью; обоснованы методы интенсификации нагрева слитков и повышения производительности печей.

Экспериментально определены теплотехнические характеристики действующих печей, получены поля температур в рабочих камерах и термограммы нагрева слитков; выявлены недостатки в тепловой работе печей.

На базе моделей устанлвлены качественные и количественные аэродинамические характеристики, работы действующих речей.

Разработана конструкция перспективной нагревательной печи с интенсивной внутренней поперечной рециркуляцией газов, способствующей интенсификации конвективного теплообмена и выравниванию полей температур в камере печи; на модели получены основные показатели ее работы.

Работа выполнена на кафедре "Теплоэнергетика железнодорожного транспорта" МШТа.

Автор благодарит доцентов кафедры Иванова И.Т. и Кумскова В.Т. за ценные замечания и консультацию при разработке отдельных вопросов диссертации.

I. ШЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ й ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ РАБОТ» ПРОМЫШЛЕННЫХ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Совершенствование конструкций и тепловых режимов нагревательных печей на заводах по обработке цветных металлов длительное время производилось без достаточного учета аэродинамических характеристик печей, температурного уровня, теплофизи-ческих и радиационных свойств цветных металлов. При проектировании и модернизации нагревательных печей для цветных металлов использовался опыт работы печей в черной металлургии. Анализ работы печей для нагрева черных металлов показал, что осуществление тепловых режимов в рабочих камерах и их аэродинамические характеристики в значительной степени определяются конструктивными особенностями печей и топливосжигавдих устройств.

В зависимости от компоновочных решений рабочих камер и топливхжигаюодах устройств изменяются аэродинамические характеристики печей и это приводит к существенному перераспределению лучистой и конвективной составляющих сложного теплообмена между греющими газами и нагреваемым металлом.

Большинство теоретических и экспериментальных исследований проводились с целью обоснования тех или иных способов осуществления тепловых режимов в нагревательных печах при доминирующей роли лучистого теплообмена*

В работе / I / рассмотрены возможности осуществления в условиях лучистого теплообмена так называемых равномерно распределенного, прямого направленного и косвенно направленного тепловых режимов работы нагревательных печей. Подчеркивалось, что при температурнш: в рабочем пространстве печи до 500^

в основном осуществляется конвективный перенос энергии, при температурах свыше 1000% конвективный теплообмен пренебрежимо мал. Полученные выводы не учитывали возможности интенсификации аэродинамических режимов греющей среды в рабочем пространстве печи и увеличению конвективного переноса тепловой энергии.

В работах / 2-4 / было показано, что в нагревательных печах скоростного и струйного нагрева доминирующим переносом тепловой энергии является конвективный теплообмен. В последующем тепловой процесс в нагревательных печах рассматривался на основе не обходимости осуществления лучисто-конвективного теплообмена в печах / 5 /.

Анализ работ / 1-5 / показал, что лучистый и конвективный теплообмен изменяется в зависимости от конструктивных особенностей рабочих камер и топливосжигающих устройств нагревательных печей.

Однако, считалось, что тепловой режим равномерно распределенного теплообмена в рабочей камере может быть осуществлен только при использовании горелок диффузионного принципа сжигания топлива, т.е. не учитывалась возможность повышения степени рециркуляции газов за счет создания необходимых контуров рециркуляции греющих газов относительно поверхностей нагреваемого металла.

Применение плоскопламенных горелок и горелок чашечного типа с коническими амбразурами позволило реализовать так называемый косвенно направленный тепловой режим нагрева между кладкой свода печи и нагреваемым металлом / 5-8 /. В этом случае движение греющих газов вблизи свода печи обеспечивало преобразование конвективного переноса теплоты и селективного излучения газов в серое излучение свода печи. Косвенно направленный тепловой режим нагрева может также осуществляться и при использовании

горелок диффузионного типа с направлением факела на поверхность свода / 9 /.

В последующем были выполнены работы, в которых рассматривались компоновочные решения рабочего пространства печи и топливо-сжигающих устройств, которые обеспечивали осуществление так называемого режима пряного направленного нагрева при непосредственном омывании поверхности металла греющими газами / 10-13 /.

В работах /14-19 / приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, связанных с изучением и оценкой косвенно направленного и прямого направленного тепловых режимов нагрева в печах. В большинстве работ предпочтение делалось в пользу прямого направленного теплообмена. Однако при анализе теплового процесса не всегда правильно одевался конвективный перенос теплоты от греющих газов к нагреваемому металлу и не определялись ограничения по применению прямого направленного теплообмена с учетом технологических условий процесса нагревания и свойств цветных металлов. Действительно, прямой направленный режим нагрева нашел широкое применение только в плавильных певах, когда теплообмен между греющими газами и металлом осуществляется в условиях фагового перехода.

Следует также отметить, что при анализе тепловых режимов преувеличивалось значение косвенно направленного теплообмена в нагревательных печах / 18,19 /.

В работе / 20 / с учетом / 79 / выполнено теоретическое решение задачи теплообмена между селективно излучающей средой и серыми параллельно расположенными пластинами с целью выбора эффективных путей подачи топлива в рабочую камеру нагревательной печи. Указаны преимущества косвенно направленного теплового режима по сравнению с равномерно распределенным режимом. Такой вывод сделан без ле*а действительного профиля температур газо-

вого слоя между сводом печи и тепловоспринимающей поверхностью металла.

В работах / 21-23,34 / был проведен анализ влияния неизо-термичности газового потока на интенсивность излучения газа, показана необходимость учета неизотериичности на теплообмен. При рассмотрении действительного температурного профиля в камерах печей с плоскопламенными горелками / 23 / сделаны выводы, что неизотермичность слоя газа может привести к уменьшению интенсивности излучения газа на 38$.

Снижение роли конвективного теплообмена в нагревательных печах определило и требования, предъявляемые к конструкциям нагревательных печей и топливосжигающим устройствам. При проектировании нагревательных печей закладывалась значительная высота свода, низкие значения скорости движения греющих гаэов, отсутствие контуров рещ^куляции газов, недостаточно обосновано широко применялись плоскопламенные горелки.

В тоже время в ряде работ / 2-4, 24,25*30,69 / подчеркивалась необходимость интенсификации теплообмена в печи как за счет лучистого, так и конвективного теплообмена. Было показано, что в определенных условиях нельзя пренебрегать конвективным переносом тепловой энергии и необходимо его рассматривать как основной метод интенсификации сложного теплообмена в нагревательных печах цветной металлургии.

Яействительно, увеличение скорости движения греющей среды относительно нагреваемого металла, конструктивные решения по организации контуров рециркуляции в рабочей камере является одним из основных направлений по интенсификации конвективного теплообмена в нагревательных печах. В работах / 31,32 / рассматривается опыт эксплуатации нагревательных печей в машиностроении с

улучшенными аэродинамическими характеристиками за счет использования рециркуляции газов в рабочем пространстве печи.

В настоящее время наметилось два направления по созданию рециркуляции газов, как за счет подачи вторичного воздуха в камеру печи, так и использования кинетической энергии скоростных горелок. Осуществление рециркуляции с помощью вторичного дутья / 31 / обеспечивает требования по созданию равномерного температурного поля в рабочем пространстве печи. Однако при этом возрастают потери теплоты с уходящими газами / 70 /. Применение скоростных горелок в печах, создающих интенсивную рециркуляцию газов,позволяет осуществить тепловые режимы с высокими значениями конвективных плотностей тепловых потоков и сравнительно равномерным температурным полем в рабочем пространстве печи / 33 /.

На заводах по обработке цветных металлов наибольшее распространение подучили методические и проходные печи с толкателями, а также кольцевые печи с вращающимся подом. При этом под-подовое и надподовое расположение горелочных устройств в боковых стенах обмуровки проходных и методических печей, а также тангенциальное расположение горелок на внешнем кольце обмуровки в кольцевых печах создают некоторые условия для незначительной рециркуляции греющих газов. Печи и топливосжигающие устройства, которые используются для нагрева черных металлов, не учитывают существенные особенности и технологические требования, предъявляемые к нагреванию цветных металлов.

К этим особенностям необходимо прежде всего йтнести: невысокий уровень температуры в рабочем пространстве печи, низкие значения интегральной степени излучения роверхности цветных металлов в начальный период нагрева и высокие значения коэффициента теплопроводности в течение всего периода нагревания слитков

металла.

Для иллюстрации в таблице 1.1 и 1.2 по данным / 39,41 / приведены значения коэффициента теплопроводности некоторых сплавов меди в зависимости от температуры и интегральной степени черноты излучения в вакууме.

Таблица 1.1

Значения коэффициента теплопроводности меди и некоторых ее сплавов в зависимости от температуры / 39 /

Наименование Значение коэффициента тедлопроводности.Вт/м ^ сплава ? О : 100 : 200 : 300 : 400 : 500 : 600

Медь III 386,1 379,1 373,3 - 364,0 - 353,5

Латунь Л90 113,9 125,6 141,8 157,0 174,4 188,4 203,5

Латунь Л68 105,8 109,3 110,4 113,9 116,3 119,7 120,9

Латунь ЛАН 59-3-2 83,7 96,5 108,3 122,1 134,9 143,0 152,3

Латунь ЛКЦ 58-2 70,2 81,4 90,7 116,3 108,7 117,4 122,1

Латунь ЛС59-1 104,2 116,0 127,5 140,1 155,8 169,2 182,0

Бронза БрА5 104,6 114,3 123,8 133,1 140,7 147,7 152,9

Бронза Бр 0Ц8-4 68,2 76,7 82,5 88,3 93,0 107,3 99,7

Таблица 1.2

Значения интегральной степени черноты излучения в вакуурн полированной поверхности меди в зависимости

от температуры / 41 /

t°C 100 200 300 400 500 600 700 800 900 IQOcT

<£м 0,022 0,023 0,024 0,027 0,031 0,036 0,043 ^ 0,054 q ^

По данным работ / 35-40,75 / коэффициент теплопроводности технической меди изменяется от 395 до 380 Вт/м'Ь. Присутствие

в меди легирующих элементов снижает величину коэффициента теплопроводности. Следует отметить, что с ростом температуры теплоемкость меди незначительно возрастает / 35,4-0 /.

Вследствие высокой теплопроводности слитков цветных металлов их нагрев осуществляется в условиях нагрева термически 11 тонких" те л и характеризуется невысокими значениями градиентов тем-

и

пературы и температурных напряжений по толщине слтка. При таких условиях тепловой режим работы печи может осуществляться при более высоких плотностях тепловых потоков со стороны греющей среды по сравнению с реализуемыми на практике.

Как известно, с целью улучвения качества прокатанной продукции из цветных металлов поверхность слитков после литья фрезеруется. Однако это резко снижает интегральную степень черноты их поверхности. В работах / 42,44,45 / приведены результаты исследования степени черноты излучения латуни и других цветных металлов, и показано, что наличие тонкого слоя окисла, искусственного покрытия или масла, а также загрязнения приводит к значительному увеличению интегральной степени черноты излучения и коэффициента поглощательной способности поверхности слитка. Проведенные экспериментальные исследования некоторых марок латуни и меди / 44 / с состоянием поверхности, приближенной к производственным условиям показали, что в начальные период нагрева до 500-550% интегральная степень черноты поверхностей латунных слитков не превышает 0,15-0,2, а для медных слитков составляет 0,43-0,45. С повышением температуры до 750^0 степень черноты излучения поверхностей возрастает до 0,8-0,9.

Учитывая такой характер изменения радиационных свойств меди и латуни следует отметить, что тепловой режим работы печи и теплообмен излучением осуществляется в условиях сильно изменяющихся значений интегральной степени черноты излучения и

коэффициента поглощательной способности поверхности слитков. Причем в начальный период нагрева слитка величина плотности лучистого потока невелика.

Известно, что лучистый теплообмен в рабочем пространстве нагревательной печи зависит также от спектра падающего на металл излучения трехатомных продуктов сгорания топлива ( С09 и Н20 ) и сплошного спектра излучения обмуровки печи. При анализе отдельных составляющих сложного теплообмена при сжигании газообразного топлива возникает необходимость учета интегральных и спектральных радиационных характеристик продуктов сгорания топлива / 79 / для основных полос излучения и поглощения ООг и НгО . В этом случае используются различные модели / 46-43,81 / спектральных полос поглощения и излучения.

Необходимость учета селективности излучения продуктов сгорания топлива определяется тем, что при представлении газов в виде условно серой среды, возникают значительные погрешности в оценке плотностей потоков лучистого теплообмена / 49 / и в определении конвективного теплообмена в нагревательных печах.

Проведенный анализ показывает, что тепловые режимы работы нагревательных печей для цветных металлов существенно отличаются от условий нагрева черных металлов.

Интенсификация тепловых процессов в камер&хпечей должна производиться с учетом оценки конвективного и лучистого теплообмена. Роль отдельных составляют теплообмена для условий нагрева слитков цветных металлов недостаточно выяснена.

Модернизация конструкции печей должна производиться с учетом опыта эксплуатации действующих печей в отрасли и анализа их тепловых и аэродинамических характеристик.

Одним из наиболее эффективных путей совершенствования аэро-

динамических и тепловых характеристик нагревательных печей является применение скоростных горелок с организацией внутренних контуров рециркуляции.

Обзор исследований приводит к выводу о необходимости выполнения исследований, связанных с модернизацией существующих и разработкой новой конструкции печи для нагрева слитков цветных металлов с высокими технико-экономическими показателями. К этим исследованиям необходимо отнести:

- теоретический и экспериментальный анализ теплообмена в рабочей камере печи; оценка роли отдельных составляющих суммарного теплообмена и выбор эффективных методов интенсификации тепловых процессов при нагреве слитков цветных металлов;

- обобщение экспериментальных исследований и анализ тепловых характеристик действующих нагревательных печей;

- экспериментальные исследования на моделях аэродинамических характеристик печей;

- разработка конструкции печи с совершенными тепловыми и аэродинамическими характеристиками.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООВ1ЕНА В РАБОЧЕЙ КАМЕРЕ ПЕЧИ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЕЛЕКТИВНОЙ МОДЕЛИ ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗА

2.1. Физическая модель и аналитическое решение задачи

/

Методические, проходные и кольцевые печи можно рассматривать как канал, в котором движется с умеренной скоростью селективно излучающая и поглощающая среда - продукты газообразного топлива. Три стороны канала выполнены из огнеупорного материала в виде многослойных стенок с относительно небольшим коэффициентом теплопроводности и одна сторона - тепловоспринимающая поверхность (нагреваемый металл).

Передача теплоты к нагреваемому металлу осуществляется от греющих газов и кладки, как за счет излучения, так и за счет конвекции. Результирующий тепловой поток на металл является результатом теплообмена между газом, кладкой и металлом.

Температурный уровень кладки формируется в результате теплообмена между газовой средой и кладкой с одной стороны, и потерями тнплоты в окружающую среду через слой футеровки теплопроводностью - с другой стороны. В процессе нагрева слитков цветных металлов изменяется температура и интегральная степень черноты их поверхностей. Температура и степень черноты кладки при установившемся режиме примерно остаются постоянными. Процесс нагрева металла происходит в газовой среде, имеющей явно выраженный селективный спектр излучения и поглощения.

Для определения интенсивности и роли лучистого и конвективного теплообмена в условиях нагрева цветных металлов и внбо-

ра эффективных методов интенсификации нагрева принимали следующую физическую модель процесса / 76 /.

Допускаем, что при теплообмене в рабочей камере печи сохраняется принцип аддитивности, предполагающий независимость лучистых и конвективных тепловых потоков на металл. Рассматривается плоскопараллельная модель процесса по схеме кладка-газ-металл. Газовый слой продуктов сгорания газообразного топлива располагается межжу поверхностями кладки и металла на расстоянии к « I м, рис. 2.1. Принимаем селективный спектр излучения трехатомных газов СОг и Нг О , входящих в состав продуктов сгорания, определяемый реальными полосами поглощения и излучения лучистой энергии. Для СОг : 15; 10,4; 9,4: 4,3; 2,7 мкм и для Нг0 : 6,3; 2,7; 1,87; 1;38 мкм. Парциальные давления водяных паров и углекислого газа приняты равными Рн 0 = 0,2'1©5 Па, Рсо = 0,1 *Ю5Па, что соответствует среднему составу газа при сжигании его с коэффициентом избытка воздуха оС = 1,1-1,2. Для условий нагрева слитков цветных металлов принимаем температуру газовой среды = 820%, кладки ^ » 800%. Температура металла изменяется от 100% до 500%. Допускаем, что поверхность кладки ж металла имеют серый спектр излучения, причем, интегральная степень черноты кладки £К - 0,8, металла, изменяется в пределах 6М »0,2-0,8. Использование селективной модели излучения газов предполагает, что плотность результирующего теплового потока на поверхность металла определяется как сумма потоков излучения от кладки в окнах прозрачности и излучения кладки и газа, с учетом поглощения продуктами сгорания излучения кладки и металла, в полосах поглощения.

Для плоек опара ллельн ой системы с селективно поглощающей и излучающей среды, кладки и металла, плотность результирующе-

Плоскопараллельная физическая модель процесса

Кладка

- t S

f- ИГ ' к

¿3 > Pçqz-> ft*2О

— _ £ - -

777777777/77777777777777777777,

Рис. 2.x.

го лучистого теплового потока, в общем случае, можно представить в виде / 51 /

0 , С '¿о* м) +

где - •

- спектральная среднегеометрическая поглощательная

способность газового слоя. Распределим спектр излучения газа на поглощающие и прозрачные полосы. Осредняя величину среднегеометрической поглоща тельной способности газа по полосе, а также учитывая серый спектр излучения поверхностей кладки и металла к~6к,

м = £м » из выражения (2.1) можно определить величину лучистых потоков для поглощающих и прозрачных полос. Для ¿ -ой полосы поглощения газа

(2.2)

Для полосы у -ой прозрачности газа ( й^ = О) ^■

В выражениях (2.2) и (2.3) величины 10гА\)е. ♦ а также 10кьЦ представляют собой лу-

чистые потоки абсолютно черного тела для интервала волновых чисел и соответственно при температурах кладки,

металла и газа.

Таким образом, результирующий лучистый непловой поток на металл представляется в виде суммы лучистых потоков в поглощающих и прозранных полосах С02 и Н20 •

/7 т

Я ♦ (2А)

В формуле (2.4) первое слагаемое определяет величину плотности лучистого потока на металл от гага с учетом поглощения излучений кладки и металла; второе - величину плотности лучистого потока на металл от кладки в полосах прозрачности трех-атомных газов. Величина О^. определяется как отноаение

Л \?e¿

J){¿ - эффективная ширина полосы,

ал. -

где

.-I

- интервал волновых чисел полосы поглощения, м' Физическое представление величины эффективной ширины полосы можно дать при рассмотрении поглощения излучения интенсивностью 1$(о) , падающего в направлении S на однородную среду, проекция объема которой на плоскость, перненхикулярную направлению S » равна dF • Длина пути излучения в среде равна «5 . Поток излучения, поглощаемого средой в пределах телесного угла dco и интервала волновых чисел di? ♦ определяется по формуле

d\ -[l<,(o)-l/s)]ctFcla>dO. <2-«>

На основе закона Бугера, ослабления излучения в однородной среде, выражение (2.6) представляется в виде

d\ = (2-?)

Проинтегрируем (2.7) по спектру поглощения и излучения полосы й , подучим

с/

(2.8)

Величина интенсивности падающего излучения (О) может приближенно считаться постоянной и ее можно вынести за знак интеграла. Тогда

¿1

Значение интеграла в выражении (2.9) представляет ообой эффективную ширину полосы

у-ехр(-сСэ$)]с1т?. (2.10)

Величина Л¿1 является функцией длины пути луча и волнового числа. В данном случае выражается в единицах волнового числа,

«г1.

Полосы поглощения и Н^О состоят из множества уширенных спектральных линий, вследствие чего, величина коэффициента поглощения является сложной нерегулярной функцией. Интегрирование выражения (2.10) связано с большими математическими трудностями.

При расчетах для определения эффективной ширины полосы поглощения использовалась экспоненциальная модель широкой полосы по Эдварсу / 46 /. Расчетные соотношения величины представлены в таблице 2.1. При расчетах приведенная к массе газа длина пути луча X определялась по зависимости

(2.II)

Соотношения для эффективной ширины полосы изотермического газа

параметр уширения за счет давления л в- 2 * * 1 Ъ нижний предел Верхний предел Активная ширина" полоса

Л Лй М

0

/сз

оо

0 1й -сД

с Оо ЩпЩ+1)

Параметр уширения Ре рассчитывался по формуле

А =' ^

п

(2.12)

где

Р -

парциальное давление поглощающего газа НгО , Да;

СО,

<2 или

Р0 - давление газовой смеси, Па;

Ри - парциальное давление азота, Па.

2 а

Значение констант соотношений С, , Сг , , б и /? для издучающего водяного пара и углекислого гаэа представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Константы соотношений для экспоненциальной ыодели полосы

Газ : Полоса,: : мкм : • . ♦ •. * • • • Центр полосы, -I ы Константы, относящиеся к давлению с, Л,"' Сг М'1 : С % 3 • ; м

В : п • гм'г (гм*)*'5

СОг 15 10,4 4,3 2,7 66700 96000 106000 235000 371500 1.3 1.3 1,3 1.3 1,3 0,7 0,8 0,8 0,8 0,65 1900 0,76 0,7 6У,(Т) 11000 4,0 %(Т) 6,9 (Т/ЪГ 1,6 (т/т/,5с?$ 1,6 и/ту5С?5 31 Ш)0'5 8,6 %(Т) 12,9 12,4 (Т/1)0'5 12.4 (Т/ТУ5 11.5 {Т/Т/'5 24 (гДр

6,3 160000 5,0 1,0 4120 4400 52 (ТДГ'5

нго 2,7 375000 5,0 1,0 2330 3900 65 (Т/т/'5

1,87 535000 5,0 1,0 6,0 С?'* 46 (ТД)^

1,38 725000 5,0 1,0 1.3 М 8,0 С?5 48 (Т/То)0,5

Температурные функции, входящие в таблицу 2.2 ^ » Ч*г »

Ъ * %// й

% » и определялись по зависимостям. Для

fx

у> = / (г .15)

ГЛв ^ = 135100 м"1, ^ * 66700 м"1, £ в 239600 и"1.

Для >4 ¿7

чМЫШ' <2Лб)

где т т т

^ = 365200 м~х, ^ « 159500 м"1, ^ = 375600 м"1.

При расчетах с использованием табл. 2.2 и соотношений(2.13)-

(2.16) температура Та принималась равной 100 К / 46 /.

Результаты расчета констант соотношений С 1 , С2 , <Г3 ,

а также эффективной ширины полосы и интервала волновых

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Полоников, Владимир Федорович, 1986 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Глинков М.А. Основы общей теории печей.- М.: Металлургиздат, 1962.- 575 с.

2. Еринов А.Е. Теплообмен в печах скоростного нагрева.- В сб.: Конвективный теплообмен. Киев; Наукова думка, 1968. - 201 с.

3. Сорока В.А., Еринов А.Е. Местный нагрев изделий.- Киев: Наукова думка, 1968.- 93 с.

4. Хейфец Г.Н. Секционная печь для термической обработки труб.-Сталь, 1966, № II, с. 26-31.

5. Еринов А.Е., Сорока B.C. Рациональные методы сжигания газового топлива в нагревательных печах.- Киев: Техника, 1970.-252 с.

6. Кольца Н.Т., Зотов Г.А., Ярцер Е.Н. Механизированные печи со сводными горелками для нагрева листовых заготовок.- Тр. ВНИПИТеплопроект, 1972, вып. 23, с. 133-138.

7. Кольца Н.Т. Плоскопламенные горелки для сводового нагрева металла.- Тр. ВНИПИТеплопроект, 1974, вып. 31, с. 35-39.

8. Денисов М.А., Михалев Г.А., Булатов А .Т., Макаров С.А. Стендовые исследования влияния способа отопления и конструкции пода на теплоотдачу к металлу в нагревательных печах с шагающим подом.- Изв.вузов. Черная металлургия, 1984, № 2,

с. 82-87.

9. Смирнов В.Г., Зеньковский А.Г., Давыдов В.А., Костяков В.В. Тепловая работа вихревых горелок в печах косвенного нагрева. Изв.вузов. Черная металлургия, 1980, te II, с. 132-135.

/ Ю. Имменитов Б.Р. Инжекционные горелки для природного газа.-

Сталь, 1947, № 9, с. 25-30.

11. Асцатуров В.Й., Берковская Н.С., Яшкин A.B., Краснокутс-кий П.Г., Засловский Ю.й. Установка для скоростного струйного нагрева длинномерных заготовок.- Тр. ВНИПИТеплопроект, 1980, вып. 52, с. 68-71.

12. Скоростной струйный нагрев металла./ Асцатуров В.Н., Крас-нокутский П.Г., Берковская П.С. - Киев: Техника, 1984.-120 с.

13. Асцатуров В.Н., Берковская П.С., Краснокутский П.Г. Исследование механики газов в печах скоростного нагрева с атакующими струями.- Изв.вузов. Черная металлургия, 1978,

№> 3, с. 158-160.

14. Сорока Б.С. Анализ эффективности режимов теплообмена топлива в печах.- Киев: Знание, 1978.- 27 с.

15. Денисов М.А., Шкляр Ф.Р., Боковикова А.Х. - В кн.: Тепломассообмен, Минск: изд. АН БССР, 1976, т. 8, с. 276-285.

16. Попов Ю.А., Мельман М.М., Невский A.C. Анализ лучистого теплообмена в условиях неизотермической газовой среды.-ИФЖ, 1980, Т. 39, № I, с. I09-II2.

17. Лисиенко В.Г. Интенсификация теплообмена в пламенных печах.-М.: Металлургия, 1979. - 224 с.

18. Лисиенко В.Г., Шимов В.М., Фетисов Б.А., Хухарев Н.И. Анализ тепловой работы нагревательной печи с факельно-импульс-ным сводовым отоплением.- Изв.вузов. Черная металлургия, 1984, №4, с. 95-99.

19. Лисиенко В.Г., Фетисов Б.А., Седелкин В.М.- В кн.: Процессы направленного теплообмена, Киев: Наукова думка, 1979, с. 30-40.

20. Сорока B.C. Анализ влияния схемы ввода топлива на энергетическую эффективность печи.- В кн.: Экономия топлива в тепло-

технических агрегатах косвенного радиационного нагрева, Киев: Знание, 1985, с. 3-13.

21. Орлов В.К., Иванов И.Т. Анализ лучистого теплообмена в нагревательной печи в условиях неизотермической среды.- Изв. вузов. Черная металлургия, 1977, № 9, с. I6I-I64.

22. Кавадеров A.B. Тепловая работа пламенных металлургических печей.- Свердловск: Металлургиздат, 1956.- 367 с.

23. Иванов И.Т. Влияние неизотермичности потока газа на лучистый теплообмен в камерах печей с плоскопламенными горелками.- Тр. МИИТ, 1976, вып. 511, с. 25-33.

24. Боковикова А.Х., Ждановская И.В., Малкин В.М., Шкляр Ф.Р., Швыдкий B.C. Эффективность разных схем подачи теплоносителя в печь.- Изв. вузов. Черная металлургия, 1982, № 12, с. 97-100.

25. Ждановская И.В., Шкляр Ф.Р., Боковикова А.Х., Малкин В.М. Теплообмен при разных схемах подачи теплоносителя.- ЙФЯ, 1980, №4, т. 39, с. 692-698.

26. Тайц Н.Ю., Розенгард Ю.И. Методические нагревательные печи.-М.: Металлургиздат, 1964.- 408 с.

27. Рафалович И.М. Тепловые расчеты пламенных печей.- М.: Металлургия, 1949.- 223 с.

28. Диомидовский Д.А. Металлургические печи цветной металлургии. М.: Металлургия, 1970.- 702 с.

29. розенгард Ю.И. Некоторыеивопросы теплообмена в методических

печах.- Тр. НТО 4M, Металлургиздат, т.7, 1956, с. 125-131.

30. Асцатуров В.Н., Краснокутский П.Г. Исследование теплообмена при струйном нагреве заготовок.- Изв.вузов. Черная металлургия, 1978, № 7, с. X62-I65.

31. Пуговкин А.У. Рециркуляционные пламенные печи.- Л.: Машиностроение, 1975.- 198 с.

32. Модылевский A.C., Муромский Л.Н., Нестеренко И.И. Скоростные горелки для рециркуляционных термических печей.- Газовая промышленность, 1973, * 3, с. 40-41.

33. Яшкин A.B., Макрушин А.Л., Климов A.B. Печи для нагрева высоколегированных сталей и титановых сплавов.- Тр. ВНИПИТе-плопроект, 1977, вып. 42, с. вв-76.

34. Кандлер Бернт. Излучение слоя продуктов сгорания природного газа при неравномерном температурном поле: Автореф. дис.... канд.тенх.наук.- М.: 1972.- 22 с.

35. Казанцев Б.И. Промышленные печи.- М.: Металлургия, 1975.-368 с.

36. Варга фтик Н.Б. Теплофизик ее кие свойства веществ.-М.: Гос-знергоиздат, 1956.- 366 с.

37. Берман С.Н. Теплопроводность твердых тел.- М.: Мир, 1979.-286 с.

38. Миснар А.И. Теплопроводность твердых тел, жидкостей и газов и их композиций.- М.: Мир, 1968.- 464 с.

39. Чиркин B.C. Теплопроводность промышленных материалов.- М.: Машгиз, 1962.- 247 с.

40. Столович H.H., Миницкая Н.С. Температурные зависимости теп-лофизических свойств некоторых металлов.- Минск.: Наука и техника, 1975.- 160 с.

41. Излучательные свойства твердых материалов./ Под ред.ШеЙнд-лина A.S.- M.s Энергия, 1974. - 472 с.

42. Araraбов С.Г. Интегральная степень черноты латуни при высоких температурах.- Теплофизика высоких температур, 1970,

т. 8, с. 770-774.

43. Спэрроу Э.М., Сесс Р.Д. Теплообмен излучением.- Л.: Энергия, 1971.- 295 с.

44. Иванов И.Т., Орлов В.К., Фролов Й.М. Интегральная степень черноты цветных металлов и некоторыз огнеупоров.- Теплофизика высоких температур, 1976, № I, т. 14, с. 42-48.

45. Иванов И.Т., Полоников В.Ф. Исследование интегральной степени черноты цветных металлов в твердом и расплавленном состоянии в вакууме.- Тр. МЙИТ, 1982, вып. 706, с. 98-102.

46. Эдварс, Глэссен, Хаузер, Ташер. Лучистый теплообмен в не-изотермических несерых газах.- Тр. Амер.об-ва инженеров меха ников, Теплопередача: Мир, 1967, № 3, с. 26-39.

47. Гуди Р. Атмосферная радиация.- Мир, 1969.- 260 с.

48. Эдварс, Нельсон. Ускоренный метод расчета лучистого теплообмена между несерыми стенками и газами СОг и Нг0 в изотермических условиях.- Тр. Амер.об-ва инженеров механиков. Теплопередача: Мир, 1962, 1Н, с. 3-9.

49. Невский А.С. Лучистый теплообмен в печах и топках.- М.: Металлургия, 1971.- 439 с.

50. Иванов И.Т., Орлов В.К., Чернышов В.Н. Измерение температуры газового потока методом двух термопар.- Метрология, 1972, МО, с. 17-24.

51. Зигель Р., хауэлл Дж. Теплообмен излучением.- М.:Мир, 1975.-840 с.

52. Будрин Д.В. Раечет лучистого теплообмена.- Тр. УПЙ, Теплообмен и вопросы эконрмии топлива в металлургических печах:

Металлургиздат, 1951, с. 75-81.

53. Ключников А.Д., Иванцов Г.П. Теплопередача излучением в огнетехнических установках.- М.: Энергия, 1970.- 400 с.

54. Треыбовля В.И., Фингер Е.Д., Авдеева A.A. Теплотехнические испытания котельных установок.- М.: Энергия, 1977.- 296 с.

55. Кочо B.C. Исследование теплообмена в рабочем пространстве мартеновских печей.- Сталь, 1950, К» 3, с. 210-218.

56. Конаков П.К., Филимонов С.С., Хрусталев Б.А. Теплообмен

в камерах сгорания паровых котлов.- М.: Речной транспорт, I960.- 270 с.

57. Адрианов В.Н., Шорин С.Н. Теплообмен потока излучающих продуктов сгорания в канале.- Теплоэнергетика, 1957, № 3,

с. 50-55.

58. Филимонов С.С., Хрусталев Б. А., Адрианов В.Н. Измерение конвективной и лучистой составляющих сложного теплообмена методом двух радиометров.- В кн.: Конвективный и лучистый теплообмен. М.: Энергия, 1972.- 454 с.

59. Адрианов В.Н. Основы радиационного и сложного теплообмена.-М.: Энергия, 1972.- 454 с.

60. Поляцкин М.А., Шатиль A.A., Хайновский Я.С., Бабкин В.Н. Некоторые данные по теплообмену в камере сгорания ГЕУ при сжигании природного газа.- Теплоэнергетика, 1961, № 7,

с. 68-72.

61. Нарежный Э.Г. Исследование теплообмена в газотурбинной камере горения с завихрителем охлаждающего воздуха.- Судостроение,

62. Кирпичев М.В., Михеев М.А. Моделирование тепловых устройств. М.: Изд. АН СССР, 1936.- 320 с.

63. Кирпичев М.В. Теория подобия.- М.: из-во АН СССР, 1953.-235 с.

64. Конаков П.К. Теория подобия и ее применение в теплотехнике. 4J.: Госэнергоиздат, 1959.- 165 с.

65. Гухман A.A. Введение в теорию подобия.- М.: Высшая школа, 1973.- 388 с.

66. Гухыан A.A. Применение теории подобия к исследованию процесса теплообмена. М.: Высшая школа, 1957.- 25 с.

67. Иванов И.Т., Черныш ob В.Н. Исследование движения газов в кольцевой нагревательной печи на водяных моделях.- Цветная металлургия, 1972, № 22, с. 38-40.

68. Глинков М.А., Рейхтман А«Я. К вопросу о движении газов в рабочем пространстве мартеновской печи.- Тр. МИС и С, 1953, вып. 21, с. 35-44.

69. Иванов И.Т., Орлов В.К. Экспериментальные исследования тепло вых процессов в методической печи работающей на природном газе.- Газовая промышленность. № 7, 1972, с. 26-30.

70. Иванов И.Т., Куисков В.Т., Полоников В.Ф., Красиков Г.А., Яшкин A.B. Об эффективности применения скоростных горелок

в печах для нагрева слитков цветных металлов.- Промышленная энергетика, 1984, * 8, с. 22-24.

71. Китаев Б.И., Зобнин Б.Ф. Теплотехнические расчеты металлургических печей.- М.: Металлургия, 1970.- 528 с.

72. Блох А.Г. Теплообмен в топках паровых котлов.-Л.: Энергоатом-

издат, 1984.-240 с.

73* Эфрос М.М. Интенсификация процессов теплообмена в рабочем пространстве газовых печей и пути их совершенствования.-Газовая промышленность, 1966, №4, с. 39-45.

74. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы.-М.: Энергия, 1978.-704 с.

75. Смирягин А.П., Смирягина H.A., Белова A.B. Промышленные цветные металлы и сплавы.- М.: Металлургия, 1974.-488 с.

76. Полоников В.Ф., Иванов И.Т., Кумсков В.Г. Использование

iko.

селективной модели излучения газа при анализе теплообмена камерах печей для нагрева слитков цветных металлов.- Укавд тель ВИНИТИ "Депонированные научные труды", 1985, й 6(164) с. 163.

77. Красюков Г .А., Иванов И.Т., Кумсков В.Т., Полоников В.Ф. Резервы экономии топлива при нагреве слитков цветных метал лов перед горячей прокаткой.- Промышленная энергетика,1985 № 2, с. 10-12.

78. Красюков Г«А., Иванов И.Т., Кумсков В.Т., Полоников В.Ф. Анализ тепловой работы проходной нагревательной печи с тол кателем для нагрева слитков цветных металлов.- Промышленная энергетика, 1985, № 9, с. 38-39.

79. Hottet И.О., Sazofim A.F. Radiative tzansfe?. -Me. Gvow 'шее Сотр., new Уъгк, 1967. -

5/9р.

80. Thezmophusicaf Properties of High Tempe-zatuze Soe¿d Matekafs Ed.y.S: Touioa/cLan

Mac. Midean Co., M % J967, v.S9 р- 75.

8х. £esasses W.Af. Heat Twnsfet ёу Inf lazed Radiatian in the atmosp-nez - Hazvazd

Meteo$o(oqccat Studies v.S9 Hazvavd University Pvess, СатШЫде, Mass., p. 96420,

82. Hottee HC. and Mangtesdotf H.&J/tanS. Am. Inst. С hem. Eng., №5, p.517-549.

ПРИЛОЖЕНИЕ Тарировка теплового зонда

Таблица ПЛ.I

Тарировка зонда с зачерненной тепловосприниыающей поверхностью

Ш п/п : 7\т, К U с V : : . р . : Вт/мс : btg, L -h' : s 7 ; % s V : : Вт/м2 : àt -r — 1

I : 2 : 3 : 4 : 5 : 6 : 7 : 8

I 748 12619 0,59 IV,3 II735 4,14 0,93

2 773 14393 0,67 13325 4,72

3 798 16347 0,76 15202 5,36

4 823 18494 0,87 I7I99 6,07

5 848 20846 0,98 19386 6,24

6 873 23415 1,10 21775 7,68

7 858 26215 1,23 24379 8,6

8 923 29258 1,37 27209 9,6

9 948 32559 1,53 30279 10,68

ХО 973 36132 1,7 33602 11,86

II 998 39991 1,88 37I9I 13,12

12 1023 44152 2,07 41061 14,49

I : а : 3 : 4 : 5 : 6 : 7 * 8

13 1048 48628 2,28 17,3 45224 15,96 0,93

14 1073 53438 2,51 -И- 49697 17,54

15 1098 58594 2,75 54492 19,23

16 1123 64X16 3,01 59627 21,04

17 1148 70019 3,29 65117 22,98

18 1173 76320 3,59 70977 25,05

19 1198 83038 3,9 77225 27,26

20 1223 90189 4,24 83875 29,60

21 1248 97793 4,60 90947 32,10

22 1273 105887 4,98 98456 34,75

Примечание: расход воды через калориметр = 0,00083 кг/с; угловой коэффициент с поверхности черного тела на поверхность калориметра (зонда), » 0,1.

Таблица П.1.2

Тарировка зонда с полированной тепловосприниыающей поверхностью

К№ : пп : Тгт, К | £оп> : : Вт/м2 : : % ; Вт/м£ %

I : 2 : 3 : 4 : 5 6 7 : 8

I 748 118319 0,56 17,0 11121 3,89 0,094

2 773 134947 0,64 12685 4,43

3 798 153270 0,72 14407 5,04

4 823 173399 0,82 16299 5,7

5 848 195448 0,92 18372 6,43

6 873 219535 1,04 20636 7,22 -И—

7 858 204831 0,97 «П. 29254 8,13

8 923 274328 1,3 25785 9,02

9 948 305268 1,45 28895 10,11

10 973 338765 1,61 31843 11,14

II 998 374947 1,78 35245 12,33

12 1023 413952 1,96 —И- 38911 13,61 ♦

I ; 2 : 3 : 4 : 5 : 6 : 7 : 8

13 1048 455925 2,16 17,0 42856 14,99 0,094

14 1073 501010 2,38 47094 16,48

15 1098 549360 2,61 51639 18,07

16 1123 601127 2,85 56505 19,77

X? 1148 656471 3,12 61708 21,59

18 1173 715650 3,4 67261 23,54

19 1198 778530 3,7 73181 25,61

20 1223 845578 4,02 -И- 79484 27,81

21 1248 916867 4,36 86185 30,16

22 1273 992257 4,72 93272 32,64

Примечание: расход воды через калориметр 0,00083 кг/с; угловой коэффициент с

поверхности черного тела на поверхность калориметра (зонда) ^ = 0,15.