Схема тепломассообмена в рабочем пространстве высокотемпературных теплотехнических установках

Одним из важнейших факторов, определяющих теплотехнические основы высокотемпературных теплотехнических установок, является её тепловая работа. Под тепловой работой высокотемпературных теплотехнических установок или её рабочего пространства понимается вся совокупность теплообменных процессов, совершающих в ней.

Теплообмен в рабочем пространстве высокотемпературных теплотехнических установках складывается из следующих процессов:

1) теплообмена между газами, поверхностью нагрева и внутренней поверхностью кладки.

2) теплообмена внутри материала, подвергаемого тепловой обработке.

3) теплообмена между внутренней поверхностью кладки и окружающей средой, которые выражается в передаче тепла из рабочего пространства через футеровку трубы.

Классификация режимов работы ТР по теплообменному признаку позволяет в одной классификационной группе объединить и установить для каждой такой группы рациональные условия снижения топлива и механики газов.

Анализ процесса теплообмена в высокотемпературных теплотехнических установках проводиться на основе выделения 2-х последовательных его стадий: внешнеготеплообмена, обеспечивающего подвод теплоты от источников энергии к поверхности обрабатываемого материала, и внутреннего теплообмена - распространение тепла внутри материала в результате чего повышается его температура и энтальпия до значения, требуемых технологий. Некоторые процессы тепловой обработки материала сопровождается химическими реакциями с положительным или отрицательным тепловым эффектом. С учётом этого уравнение теплового баланса, отражающего равенство количество теплоты внешнего и внутреннего теплообмена () принимает вид:

, (1)

где - средняя плотность теплового потока внешнего теплообмена, ; F - площадь тепловоспринимающей поверхности материала, , - время тепловой обработки материала, с, М - масса обрабатываемого материала, кг, - изменение энтальпии материала в результате его тепловой обработки, - тепловые эффективности экзотермических и эндотермических реакций при тепловой обработке материала, Дж/кг.

Из (1) следует, что время тепловой обработки, а значит и производительности установки определяется уравнением значения среднего теплового потока внешнего теплообмена.

Различают 3 наиболее распространенное в высокотемпературных теплотехнических установках. вида внешнего теплообмена: лучистый, радиационный, конвективный и смешенный. Внешний лучистый теплообмен характерен для высокотемпературных теплотехнических установок. При некоторых условиях наряду с излучением существенное значение приобретает и конвективный теплообмен.

Внешний теплообмен в ТР высокотемпературных теплотехнических установках. определяется комплексом теплотехнических процессов горением топлива, газодинамическими условиями, управляющие движением газового потока, массообменном и др.

При математическом описании процессов внешнего теплообмена различают потенциал или движущую силу процесса, определяющую возможности его протекания.

При лучистом теплообмене тепловой поток, воспринимаемый нагреваемым материалом, в соответствии с законом Стефана-Больцмана определяется в общем виде выражением:

, (2)

где и - температура источника излучения (например: излучающие газов) и поверхности материала, К, - поверхность теплообмена, : - приведенный коэффициент излучения системы, учитывающий лучистые взаимодействие излучателя с нагреваемым материалами и другими элементами системы теплообмена,

При конвективном теплообмене тепловой поток, воспринимаемый материалом, определяется по закону Ньютона-Рихмана:

, (3)

где - температура газов, К: - коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к материалу, .

В уравнениях (2) и (3) (разность четырёх степенной температур излучения и материала) и (разность температур газового потока и материала) является потенциалами процесса переноса теплоты излучением и конвекцией. Параметрами, характеризующими кинетику этих процессов, является соответственно , .

Внешний теплообмен в значительной мере определяется температуры полем газового потока. Зависимость может быть получена в результате решения дифиренциального уравнения Фурье-Кирхгофа, описывающего распространение теплоты в движущей среде. С учётом возможных внутренних источников теплоты, например от химической реакции горения, это уравнение в сокращённой записи имеет вид:

, (4)

где - субстанциональная производная температуры во времени, представляющая собой сумму локального и конвективного изменения температуры,

(5)

-оператор Лапласа,

, (6)

где - плотность внутренних источников теплоты,

- изобарная массовая теплоёмкость, Дж/кгК

- плотность газового потока,

Тепловая работа высокотемпературных теплотехнических установок. с различными режимами теплообмена различна, причём каждому режиму теплообмена соответствует свой наиболее благоприятные условия теплогенерации и движения теплоносителей (газов). Деление режимов теплообмена на 3 вида отражает главные ценности процессов теплообмена.