в теплотехнологическом реакторе (ТР)

Рассмотрим простейшую схему топливной печи. Предположим, что поверхность нагрева металла с температурой окружена со всех сторон поверхностью кладки с температурой одинаковой во всех точках кладки. Продукты сгорания топлива имеют степень черноты по отношению к собственному и отраженному излучению кладки и металла. Пусть , т. е имеем радиационный реактор работы печи. Кладки и металла обладают степенью черноты соответственно и . , , т.е. процесс теплообмена происходит в стационарных условиях. Составим уравнения баланса тепла на поверхностях металла и кладки.

где - плотность результирующих тепловик потоков на поверхности металла и кладки,

- плотность излучения газа на 1 поверхности металла и кладки,

- полное излечение поверхности металла и кладки и излучения кладки самой на себя, Вт

- угловой коэффициент кладки на металл

Определяя значения из формулы (2) подставляя его в уравнение (1) и учитывая, что и обозначая - степень развития кладки, после преобразования получаем

Из уравнения (3) следует, что плотность результирующего теплового потока на металл при и зависит от:

1) излучение газов на поверхность металла

2) излучение газов на поверхности кладки

3) степени черноты газов

4) степени развития кладки

Могут быть три различных случая организации радиационного режима работы печи равномерно-распределённый (при ) направленный прямой (при ) и направленный косвенный (при ),

Для всех видов радиационного теплообмена роль кладки как посредника в передачи тепла будет различна.

Равномерно-распределённый режим радиационного теплообмена.

Данному режиму работы печей ближе всего соответствуют условия, когда температура газов и их степень черноты одинаковы по всему занимаемому им объёму.

При равномерно распределённом режиме решающую роль играет величина степени черноты пламени (газов). При малых величинах тепловой поток, приходящийся на металл и кладку, относительно невелика. Стремление увеличить тепловой поток на металл при равномерно распределённой температуре по толщине пламени приводит к необходимости увеличения величины излучательной способности пламени Поскольку одновременно характеризует и поглощательную способность пламени, пламя тем сильнее экранируют кладки, чем выше и, следовательно, тем менише тепла от кладки попадает на металл.

В случае равномерно распределённого режима повышения степени черноты пламени при Т=const всегда вызывает интенсификацию теплообмена. В практических условиях увеличить можно 2-мя путями увеличением толщины слоя газов и повышением путём естественной и искусственной карбюризации. Увеличения толщины газового обмена связано с увеличением высоты работы производства и поэтому во многих случаях является не целесообразным.

Главным фактором, интенсифицирующим теплообмен в печи является повышение температуры газов .Это видно из формулы В.Н.Тимофеева

,

, (5)

где -коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела.

Третьим фактором является степень развития кладки, влияние которой сначала увеличивается, а затем уменьшается по мере увеличения степени черноты газов. В формуле (4) величины и приняты независимыми, тогда как практически они связаны между собой, поскольку при развитии кладки возрастает толщина излучающего слоя газов. Температура поверхности кладки занимает промежуточное место между температурой газов и температурой металла в зависимости от и . Каждая является посредником в теплоотдачи, поэтому, чем выше её температура, тем интенсивнее теплообмен при данном значении .Следовательно, при равномерно распределённом режиме необходимо стремиться работать при возможно более высоких температурах клади, допускаемых по целевым службы огнеупоров.

Для получения равномерных по объёму печи температуры и степени черноты газов, газы, поступающие от горелок, должны быстро смешиваться с атмосферной печи, что достигается созданием энергичной циркуляции газов в рабочем объёме.

Данный режим теплообмена наиболее целесообразно применять в печах, в которых нагревают массивные изделия. В этом случае быстрота нагрева определяется условиями внутреннего теплообмена, поэтому относительно небольшая интенсификация внешнего теплообмена не имеет лимитирующего значения.

С равномерно распределённым режимом развивают нагревательные колодцы, которые камерные печи сварочные зоны методических печей и др. В качестве топлива выбирают такие виды, которые обеспечивают хорошую светимость факела мазут, природный газ коксодоменный газ (смесь).

Направленный прямой режим радиационного теплообмена

Направленный прямой режим радиационного теплообмена обеспе-чивается созданием градиента температур по толщине пламени с приближением максимума температур к поверхности металла, т.е. когда плотность излучения газов на поверхность металла больше чем на кладку. Это достигается неравномерным распределением температуры и степени черноты в объёме газа, печи.

Если максимум температуры и степени черноты располагается непосредственно у поверхности нагрева, то прямой направленный теплообмен будет выражен наиболее ярко.

Изменение температуры и степени черноты по сечению газового слоя является важным средством для увеличения теплоотдачи на поверхность нагрева и облегчения условий службы кладки. Степень развития кладки на теплоотвод влияет меньше чем при равномерно распределённом.

Прямой направленный теплообмен создают окислением топлива в факеле. Различая один или несколько факелов в нежней части рабочего производства печи, можно получить интенсивную теплоотдачу на поверхности нагрева. Размеры факелов, определяемые размерами горелочных устройств должны быть такими, чтобы факелы, сохраняли индивидуальность по всей длине рабочего пространства печи, при характерных отличиях температурных режимов и светимости.

Направленный прямой теплообмен широко используется в плавильных печах и нагревательных печах при нагреве тонких термических и массивных изделиях, размещённых на поду печи.

Режим направленного прямого теплообмена нерационально применять в том случае, когда поверхность нагрева распределена по всему объёму печи (в нагревательных колодцах, кирпичеобжиговых печах и др.)

Направленный косвенный режим радиационного теплообмена.

Подобный вид теплообмена имеет место в том случае, когда тепло, выделяющееся при сгорании топлива, передается нагреваемому материалу не непосредственно от пламени, а через посредника, которым чаще всего является кладка свода печи.

Нагреваемый металл имеет сплошной спектр поглощения, поэтому надо стремиться, чтобы падающий на него тепловой поток сплошной спектр излучения. Направленный косвенный теплообмен создают размещением факелов (пламени) в верхней части рабочего права печи приближая область минимальных температур к поверхности огнеупора. При это происходит рост температуры кладки и трансформирование селективного излучение кладки.

В последнее время широкое распространение получает сводовое отопление печи, которые работают в указанном режиме теплообмена. Для достижения этой цели применяют различного рода горелки, создающих плоский разомкнутый факел (плоскопламенныегорелки) у которых возникшее пламя тонким слоем распространяется по поверхности свода, обеспечивая высокую теплоотдачу.

В печах, работающих с направленным косвенным радиационным режимом, излучение кладки на металл играет важнейшую роль, и величина степени развития кладки имеет в этом случае большее значение, чем при равномерно распределённом режиме. Данный вид телеобмена целесообразно применять, когда необходим равномерный нагрев.

Необходимо отметить, что термин “косвенный нагрев” часто применяют в несколько ином смысле, связанный с осущёствлением муфельного нагрева металла. В ряде случаев нагрев металла в термических печах должен осуществляться без малейшего окисления, которое возможно лишь в том случае, когда поверхность металла не соприкасается с продуктами сгорания топлива. Избежать этого можно, если отделить газы от металла. В этом заключается принцип муфелирования. Можно отделить газы от металла, выполнив снижение топлива в радиационных трубах. Другой метод заключается, когда металл закрывается жароупорном муфеле. И в том и другом случае будет иметь место косвенный нагрев, т.е. называется без возможности соприкосновения металла и окисляющих газов.