Температурный и тепловой режимы

Внутренняя энергия системы слагается из кинетической и_; потенциаль­ной энергий. Кинетическая энергия — энергия беспорядочного движения атомов и молекул, потенциальная энергия — энергия их взаимного при­тяжения и отталкивания. Для идеального газа энергия притяжения и отталкивания пренебрежимо мала, и поэтому энергия идеального газа однозначно определяется так называемым уравнением состояния.

Поскольку тепло — есть энергия беспорядочного движения частиц, составляющих вещество, постольку температура однозначно характе­ризует тепловое состояние тела во всех случаях, когда можно пренеб­регать энергией взаимодействия сил притяжения и отталкивания частиц.

В соответствии с кинетической теорией газов (закон Максвелла— Больцмана) термодинамическое понятие равновесной температуры для идеального газа может быть расшифровано с помощью уравнения

(6)

где Е_п — энергия п частиц с массой m в узком диапазоне значений их скоростей ;

N — число Авогадро; R — газовая постоянная.

В состоянии термодинамического равновесия средняя кинетичес­кая энергия всех элементов среды при данной температуре является постоянной, хотя скорости отдельных частиц существенно различны. Естественно предположить, что чем дальше система находится от сос­тояния термодинамического равновесия, тем в большей степени она к нему стремится и тем интенсивнее протекают процессы теплообмена, поскольку движущей силой теплообменных процессов является разность потенциалов — температур. В зависимости от характера протекающих в рабочем пространстве печи процессов тепло- и массообмена устанавли­вается весьма сложное пространственное поле температур, в котором можно выделить поля температур в газовой фазе, на поверхностях ма­териала и футеровки печи. Если поля температур неизменны во времени, то режим работы печи называется стационарным, в противном случае— нестационарным. Для упрощения задачи иногда можно предположить, что температура во всех точках поверхности нагрева одинаковая и рав­няется некоторой средней величине. Такое же предположение можно сделать для температуры пламени, поверхности кладки и, таким обра­зом, свести задачу к теплообмену между этими как бы изотермичес­кими поверхностями. Дальнейшим шагом упрощения является введение условного понятия эффективной температуры Т_Эф, приме­няемого в расчетах печей.

Эффективная температура представляет собой некоторую условную (приведенную) температуру греющей части печи, при которой обеспечивается такая же плотность теплового потока излучения на поверхность нагрева только от греющей части печи, какая в действитель­ности имеется в рассматриваемой печи. Понятие эффективной темпе­ратуры может быть распространено на любую систему, а сама темпера­тура может быть отнесена к любой греющей (излучающей) части этой системы (дуге, резистору, футеровке и т.д.). Чем дальше отстоит систе­ма от термодинамического равновесия, тем выше Т_Эф и тем больше она отличается от реальной температуры греющей части.

Действительные температуры пламени (нагревателя) и внутренней поверхности футеровки зависят от температуры поверхности нагрева и теплогенерации и в общем случае, кроме того, от места расположения в печи и от времени. Изменение этих величин по длине печи и во времени характеризует температурный режим печи. Так для печей непрерывного действия тепловой режим не изменяется во времени и является функцией только координаты по длине печи ; при этом возможно представить три температурных режима: прямо­точный, противоточный и камерный. При прямоточном режиме (рис. ) в топливных печах нагреваемые материалы и про­дукты сгорания движутся в одном направлении и поэтому холодные материалы поступают в высокотемпературную часть печи. При противоточном режиме (рис. 4, б) нагреваемые материалы и продукты сгорания движутся навстречу друг другу - холодные материалы поступают в низ­котемпературную часть печи. При камерном режиме (рис. 4, в) темпе­ратура по длине печи постоянна. Камерный режим рассматривается и для печей периодического действия и означает примерное равенство тем­ператур в различных точках рабочего пространства в каждый момент времени, т.е. температура является функцией только времени Т=f (г).

Рис. 4. Температурные режимы печи

Второй важной характеристикой тепловой работы печей является тепловой режим, т.е. изменение во времени теплогенерации в ЗТП или в ЗГТ. Величина теплогенерации, выражаемая в ваттах, называет­ся тепловой мощностью Q_T._M. При стационарном режиме тепловая мощ­ность является величиной постоянной, не зависящей от времени (Q_{T M} = = const). При нестационарном режиме Q_TM = f(t).

Рис. 5. Графическое изображе­ние теплового режима печи — тепловая диаграмма

Под тепловым режимом пе­чей понимается изменение тепловых нагрузок (Q_тн. вт) во времени Q_тн.= f(τ). Графическое изображение теплового режима — тепловая диаграмма (рис. 5) в практику расчетов по печной теплотехнике была введена впер­вые И. Д. Семикиным [17] применительно к мартеновским печам. Тепловая нагрузка равняется произведению часового расхода топлива (В, кг/час, м³/час) на его теплоту сгора­ния (). Таким образом, физическая теплота топлива и воздуха, вносимая в печь или в рабочее пространство, в понятие тепловой нагрузки не входит и поэтому последняя носит несколько услов­ный характер.

Полный расход тепла на тепловую обработку материала, очевидно, будет равен

, Дж

η _кит — коэффициент использования топлива;

Q_пот — тепловые потери всех видов, за исключением потерь тепла с отходящими газами, вт;

Q_M —затрата тепла на полезную работу прогрева или плавления, вт;

Q_техн —результирующий тепловой эффект реакций, происходящих при тепловой обработке, вт.

Тепловая нагрузка, максимально возможная по условиям по­дачи топлива, воздуха для горения и тяги, называется тепловой мощностью печи.

Горизонтальной линией (MN) тепловая диаграмма (рис. 5) делится на две части. Нижняя часть характеризует расход тепла на холостой ход (Q_т.н)_хол т. е. в данном случае на поддержание печи при постоянной рабочей температуре. Верхняя часть диаграммы—дополнительный расход тепла в связи с тем, что в печи совершается полезная работа. Площадь диаграммы между кривой тепловых нагрузок и осью абсцисс представляет полный расход тепла на всю операцию, т. е. величину Q_Σ (урав­нение 15). С

Средняя величина тепловой нагрузки будет равна ;

Отношение называется коэффициентом форсирования.

С точки зрения особенностей тепловой работы, возможны сле­дующие четыре варианта.

1. Работа с относительно постоянными во времени темпера­турным и тепловым режимами , на­пример методические нагревательные печи.

2. Работа с переменным температурным и относительно по­стоянным во времени тепловым режимами , например некоторые камерные сушила, печи для обжига и т. д.

3. Работа с переменными во времени температурным и тепловым режимами , например нагревательные колодцы для слитков.

4. Работа с относительно постоянным во времени темиературным и переменным тепловым режимами . Этот вариант можно представить себе лишь теоретически, но практически при установившейся работе печи он маловероятен. Напротив, при неустановившейся работе печи такое сочетание температурного и теплового режимов возмож­но достаточно часто.

Принадлежность к той или иной группе определяется глав­ным образом характером технологического процесса и условия­ми его осуществления (периодический и непрерывный).

Постоянный во времени температурный режим осуществим только в печах, предназначенных для непрерывного технологи­ческого процесса со строго регламентированной работой, меха­низированной подачей и выгрузкой материалов.