Расчет камерной печи со сводовым отоплением

В тепловой работе пламенных нагревательных печей  первостепенная роль принадлежит методу отопления печи и характеристикам факела, образующегося при сжигании топлива. Используемое топливо, способ его сжигания и метод отопления печей предопределяет как интенсивность внешнего теплообмена в рабочем пространстве печей, так и условия нагрева металла.

1.2. Тепловая работа нагревательных печей

СХЕМЫ  ДВИЖЕНИЯ  МЕТАЛЛА  И   ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

В проходных  нагревательных печах независимо от применяемого способа транспортировки  металла через печь могут быть осуществлены принципиально следующие две схемы движения теплоносителей — нагреваемого металла и остывающих продуктов сгорания: прямоточная и противоточная. Как известно, противоток является наиболее совершенной схемой взаимного движения теплоносителей, поскольку холодный теплоноситель может нагреваться до температуры, превышающей конечную температуру более нагретого теплоносителя. Подобное положение при прямотоке невозможно.

В силу этих причин большинство проходных нагревательных печей до самого последнего времени работало по противоточной схеме движения металла и газов. Однако, в прямоточной схеме движения теплоносителей в

начальной ее части, где имеет место очень большой перепад температур между горячим и холодным теплоносителем заключены большие резервы для интенсификации теплоотдачи на поверхности нагреваемого металла. Поэтому, если нагревается металл имеющий характеристики термически тонкого тела, то для ускорения нагрева и повышения эффективности работы печи целесообразно использовать возможности, заложенные в начальной стадии прямоточной схемы движения теплоносителей. Однако полностью прямоточной печь делать нецелесообразно, так как прямоточная схема не позволяет иметь конечную температуру холодного теплоносителя (металла) выше конечной температуры более горячего теплоносителя. Применительно к условиям работы проходных нагревательных  печей это значит,  что конечная температура металла будет всегда ниже температуры отходящих из печи газов, что конечно, неприемлемо. В этом смысле противоток всегда эффективнее. Вместе с тем, совмещая две схемы движения и обеспечивая  прямоточно-противоточное движение раскаленных газов и металла, можно существенно повысить эффективность работы печи.  ..

В отдельных  случаях при двухстороннем нагреве, для того чтобы повысить интенсивность нагрева, но не превысить допустимого перепада температур по сечению заготовки, бывает целесообразно использовать прямоток только в нижней зоне отопления. Нельзя не отметить, что использование прямо противоточной схемы движения теплоносителей в проходных нагревательных печах, значительно повышающее интенсивность нагрева, увеличивает вместе с тем удельный расход тепла и снижает коэффициент полезного теплоиспользования. Применение таких печей в принципе целесообразно при нагреве термически тонких тел с использованием глубокой утилизации тепла отходящих дымовых газов. Эти обстоятельства серьезно сдерживают использование прямо-противоточных нагревательных печей. В настоящее время в мире их построено всего несколько штук. В силу этого ниже рассматриваются, в основном, конструкции и тепловая работа противоточных печей. 

1.3ТЕПЛОВОЙ  И  ТЕМПЕРАТУРНЫЙ  РЕЖИМЫ   РАБОТЫ   ПЕЧЕЙ

Тепловой и  температурный режимы проходных  нагревательных печей неизменны во времени. Однако температура по длине печи может быть неизменна, но может и значительно меняться.

Режим работы печей, при котором температура в  рабочем пространстве практически неизменна, называется камерным. Если температура по длине печи переменна, то такой режим называется методическим.  Характер изменения температуры раскаленных газов и поверхности нагреваемого металла по длине печи зависит в первую очередь от схемы взаимного движения газов и металла. Противоточные печи составляют в настоящее время подавляющее большинство проходных нагревательных печей, поэтому остановимся кратко на их режимах работы. При нагреве в металле возникают температурные  напряжения,   которые  не  должны превышать   максимально  допустимых.   Температурные   напряжения пропорциональны перепаду температур поверхности и центра металла. Если нагревается тело массивное в тепловом отношении, то резкое повышение температуры поверхности может вызвать возникновение чрезмерного температурного перепада. Поэтому массивные изделия нагревают сравнительно медленно, постепенно (методически), до тех пор, пока они не приобретут необходимых пластических свойств, т. е. до ~500 °С.

Для нагрева  заготовок, которые по своим размерам и свойствам ближе к тонкому телу, чем к массивному (например, слябы), созданы печи, работающие по режиму, занимающему промежуточное положение между камерным и методическим. Чтобы обеспечить повышение температуры в печи, выполняют две (или несколько) сварочных зон, в каждой из которых происходит сжигание топлива. Назначение зоны при этом сохраняется. При нагреве термически тонкого изделия используют камерный режим, при котором поддерживается практически одинаковая температура во всем рабочем пространстве. Обеспечение того или иного температурного режима

 работы печей  достигается выбором метода отопления и соответствующего расположения горелочных устройств и дымоотводящих каналов. Для создания камерного режима необходимо горелки (форсунки) и дымоотводные каналы равномерно распределить по длине рабочего пространства.

Методический  режим нагрева металла имеет  место в тех случаях, когда при противоточном движении металла и дымовых газов горелочные устройства располагают на одном конце рабочего пространства в зоне интенсивного нагрева металла, а дымоотводные каналы — на другом, где металл загружается в печь. При этом дымовые газы будут постепенно остывать, отдавая тепло металлу, температура которого будет постепенно повышаться. Режим отопления выбирается с учетом особенностей транспортировки металла и определяет изменение температуры по длине печи.

1.4 СПОСОБЫ   ОТОПЛЕНИЯ

В металлургических печах сжигание топлива осуществляется как при кинетическом, так и при диффузионном горении. И в том и в другом случае факел (пламя) формируется струями топлива и воздуха, подаваемыми через горелки (форсунки). Факел, который оказывает очень большое влияние на тепловую работу печи в делом, должен отвечать следующим требованиям:

1) иметь максимально необходимую для печи данного типа температуру; 

2) иметь целесообразное  распределение температуры по  объему печи и обеспечивать наивысший уровень теплоотдачи излучением и конвекцией;

3) в необходимых случаях должен обеспечивать развитие массообменных процессов;

4) факельные струи должны оказывать положительное влияние на аэродинамику рабочего пространства: способствовать выравниванию  

температуры и  развитию процессов конвективного  теплообмена, не разрушать элементов печи и не вызывать чрезмерного подсоса в печь воздуха и выбивания дымовых газов.

В современных  печах большое значение имеет  расположение факела в рабочем пространстве. Наиболее распространенными являются продольное (при противоточном и прямоточном движении металла), поперечное (боковое) и сводовое (вертикально вниз в сторону обрабатываемого материала) расположение факелов. При продольном расположении факелов распределение температуры по длине факела определяет график изменения температуры по длине печи.

Боковое отопление (поперечное расположение факелов) применяется в достаточно широких печах и должно обеспечивать не только необходимую интенсивность нагрева, но и обязательно равномерность нагрева металла по ширине печи, для чего требуется равномерное распределение температуры по длине факела. При сводовом отоплении  правильное распределение тепловой нагрузки по горелкам по длине и ширине печи также обеспечивает необходимый характер распределения температуры по длине и ширине рабочего пространства печи.

Теплообмен излучением в рабочем пространстве пламенных  печей между факелом, кладкой  и металлом зависит не только от температуры, но и от радиационных характеристик этих компонентов теплообмена, т. е. от величины их излучательной и поглощательной способности. Величина поглощательной способности обрабатываемого в печи материала имеет сплошной характер изменения по спектру, хотя и отличный от серого тела. Подобная картина характерна и для кладки печи.

Прямоструйный факел

Общие характеристики факела. Наиболее распространенный на практике диффузионный факел газового и жидкого топлива образуете я струями топлива и

воздуха, выходящими со значительной скоростью из горелки или форсунки. Струи могут встречаться под различными углами друг к другу, что оказывает

существенное  влияние на скорость смешения топлива с окислителем и обеспечивает, вместе .с тем, подсос продуктов сгорания из окружающего факел газового объема, создавая тем самым циркуляцию газов в рабочем пространстве печи. Возникновению подсоса в корень факела окружающих продуктов сгорания и созданию циркуляции способствуют два обстоятельства: инжектирующее действие факельных струй и (очень часто) увеличение статического давления по длине факела. Повышенное давление в «хвосте» факела способствует возникновению циркуляционных потоков от конца факела к его началу.

В печах обычно используют не одну горелку (форсунку), а их группы. В одних случаях факелы направлены в одну сторону, в других — в противоположную, над нагреваемым металлом и под ним и т. д. Поэтому аэродинамические характеристики факелов и расположение горелок оказывают решающее влияние на картину движения газов в печи в целом или в отдельной ее зоне.

Диффузионные  факелы обычно образуются двумя спутными (чаще всего коаксиальными) потоками газа н воздуха или потоками, поданными под углом друг к другу, или закрученными один относительно другого. Изменение скорости истечения струн топлива и воздуха, углов встречи между ними влияет на процесс смешения, от которого зависят все важнейшие характеристики факела (длина, распределение температуры, состав газов и т .д.

Обычно приходится решать один из двух вопросов: выбирать горелку по величине расхода топлива  и требования к факелу или при установленном горелке решать вопрос о длине факела и других его характеристиках в зависимости от изменения режимных параметров. Эти изменения могут носить как кратковременный, так и достаточно долговременный характер. Часто в производственных условиях они носят вынужденный характер. К режимным параметрам работы горелок, а следовательно, и печей могут быть отнесены следующие: теплота сгорания топлива, тепловая нагрузка (расход

топлива в единицу  времени), расход воздуха, температура  подогрева воздуха, газа. Изменение  этих характеристик влечет за собой изменение скоростей выхода из горелки газа и воздуха и величины коэффициента расхода воздуха.

В производственных условиях по различным причинам возможно изменение теплоты сгорания топлива, которое не может не оказать влияния на длину факела. Чем больше теплота сгорания топлива, тем больше воздуха необходимо для сжигания единицы такого топлива. Поэтому, если расход топлива не изменяется, а происходит изменение теплоты его сгорания, то длина факела также будет изменяться. Причем при увеличении теплоты сгорания топлива длина факела должна увеличиваться, при уменьшении — сокращаться.

Горелочные устройства обычно выбирают, исходя из каких-то наиболее оптимальных для данной печи расходов газа и воздуха. Изменение этих расходов (без изменения, естественно, выходных сечений горелок) влечет за собой изменение скоростей истечения. Это сказывается на условиях смешения и на характере тепловыделения; приводит к изменению длины факела, его температуры и теплоотдачи. С определенной степенью приближения можно считать, что увеличение тепловой нагрузки приводит к увеличению длины факела, повышению его температуры и теплоотдачи излучением.

Влияние коэффициента расхода воздуха на длину факела особенно резко сказывается  при  работе пламенных горелок. .  Так, при увеличении коэффициента расхода воздуха с 1,05 до 1,4 длина факела газового топлива уменьшается вдвое. При работе горелок с предварительным смешением длина факела от величины коэффициента расхода воздуха зависит

незначительно. Использование  подогретых  воздуха  и  газа  благоприятно влияет на развитие процессов смешения и горения: укорачивается факел, повышается скорость достижения температуры воспламенения, увеличивается скорость горения и обеспечивается тем самым более интенсивное тепловыделение в факеле. При этом повышается калориметрическая и действительная температура факела и  увеличивается теплоотдача излучением.

Разомкнутый факел

Под разомкнутым  факелом  принято  понимать факел  с углом раскрытия  180°, растекающийся тонким слоем и прилегающий к поверхности свода, в который вмонтирована горелка (рис. 19). Механизм теплофизнческнх процессов, протекающих в разомкнутом факеле еще не вполне ясен, однако, некоторые общие положения можно считать установленными. Как и в любом другом, в разомкнутом факеле первостепенную роль играет процесс тепловыделения. Можно считать, что протяженность зоны дожигания топлива составляет приблизительно одну пятую часть общей длины факела. Во многих работах подчеркивается возможное каталитическое влияние керамической поверхности на процесс горения в разомкнутом факеле. Образующиеся раскаленные газы. двигаясь около поверхности керамической кладки, обеспечивают интенсивную передачу тепла главным образом конвекцией (толщина слоя газов невелика). Кладка раскаляется и обеспечивает интенсивное излучение на нагреваемый материал. Тем самым селективное излучение газов трансформируется в сплошное по спектру излучение керамической поверхности. Важным является вопрос о том, почему осуществляется «прилипание» струи к