ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ТЕОРИЯ И ЕЕ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ЧИСЛОВЫЕ ПРИМЕРЫ

МЕХАНИЗМ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТЕХНИЧЕСКИХ ТОПКАХ

Чтобы применить вышеназванные «рекуперативные» форму­лы* необходимо определить коэффициент теплопередачи или, ес­ли речь идет о теплопередаче без разделительных стенок, коэффи­циент теплоотдачи. Но значение этого коэффициента в техничес­ких топках, вообще говоря, зависит не только от теплопередаю­щих свойств греющей среды и теплового сопротивления разде­лительной стенки,, но и в значительной мере от излучения стенок, окружающих поверхность нагрева. Эти стенки участвуют в теп­лопередаче как «косвенные поверхности нагрева» следующим образом: греющий газ, проходящий по печи, отдает*'свое тепло как на поверхность нагрева, так и »на окружающие стенки, при­чем это количество тепла зависит от температуры. Окружающие стенки отдают часть полученного тепла путем теплопроводности наружу, чтобы компенсировать внешние потери, а часть (кото­рая значительно больше первой) — путем излучения на по­верхность нагрева. Следовательно, окружающие стенки как бы искусственно увеличивают собственно поверхность нагрева в ка­честве «вторичной», или косвенной, поверхности нагрева Температуру и излучение такой косвенной поверхности можно рассчитать, причем в ходе расчета будет особенно ясно виден характер влияния косвенных поверхностей нагрева.

Очевидно, при установившемся состоянии количество воспри­нятого тепла должно быть равно количеству отданного. Тепло от греющей среды косвенная поверхность нагрева воспри­нимает так же, как и собственно поверхность нагрева. За час бу­дет воспринято:

<3 = <Х • (г“г — *пов) Рвтор ккал/час. (796)

Здесь —температура газа; *Пов —температура косвенной по­верхности нагрева Лпор м2; а — общий коэффициент теплоот­дачи в уравнении (796). Следовательно,

<*=«к+ «из. (797)

Где а к — коэффициент теплоотдачи конвекцией и анз —коэф - фициент теплоотдачи излучением. Если пренебречь потерями

Тепла наружу, то общее количество тепла [уравнение (796)] будет передаваться излучением на поверхность нагрева, имею­щую температуру £'°С. Но при этом надо учесть, что часть излуг чения, идущего от. стен, будет поглощена промежуточной массой газов. Обозначим эту поглощенную долю энергии через 5*. Со­образно с этим в соответствии с рассуждениями, данными на стр. 247, получаем «степень черноты» слоя газа 5* С другой стороны, по уравнению (395) для коэффициента излучения С твердого тела справедливо соотношение

С = 4,96 . 5.

Здесь 4,96 — коэффициент излучения абсолютно черного тела [см. уравнения (393) и (394)] и 5 — степень черноты излучаю* щего тела (твердого или жидкого). Степень черноты 5 как га­за, так и твердого тела указывает, какая часть падающего чер­ного излучения будет поглощена. По закону Кирхгофа (см. стр. 247), наоборот, степень чернеРгы указывает на часть излучения абсолютно чермого тела, которая испускается дайной поверхно­стью или данным газовым объемом равной температуры. Вели­чина 5 кладки примерно равна 0,8, 5 несветящихся пламен ко­леблется от 0 до 0,4, причем 5 = 0 для воздуха или очень тонкого слоя газа, а 5 = 0,4 — для большого объема пламени, например, в паровых котлах (см. также пояснения на стр. 288)- Таким об­разом, степень червоты газа представляет собой отрешение из­лучения газа к излучению нагретого до той же температуры аб­солютно черного тела, следовательно, степень черноты слоя газа

5 =------------- 9со, + н, о----------

Шч-

Здесь? со +н о —общее излучение газа на абсолютно черное тело с температурой Тст по уравнениям (409) и (410) вследствие того, что в них рассматривается абсолютно чер*ное тело, принято 5=1; Гг°К — температура газа; ГсТ °К — температура облучае­мой поверхности. Газ поглощает часть проходящего через него излучения, равную 5. Следовательно, количество тепла, воспри­нятое косвенной поверхностью нагрева, которое излучает поверх­ность нагрева равно

<2 = С. Р-( 1 - 5). [(-^-)4 - (~^)*] ™ал/час. (799)

Данные температуры означают, как и всегда, абсолютные темпе­ратуры, т. е. Т = I + 273° С — коэффициент излучения кладки при теплообмене с поверхностью нагрева посредством излучения [см.

26*
уравнения (400), (401) или (402)]. Приравнивая правые части уравнений (796) и (799), получим выражение, из которого мож­но определить температуру косвенной поверхности нагрева

. • V-/-} • ^ - С. I-. (1 - 5) • [(^)‘ -(-&-)•]

Или после решения относительно £пов, получаем

■(| -5) • - НйТ] - (800>

Это уравнение, к сожалению, нельзя решить дальше, так как ре­шение приведет к очень сложной формуле. Поэтому приходится удовлетворяться уравнением (800), по которому /пов опреде­ляется методом подбора. Для этой цели при данных постоянных

Величинах иС, т= —^—, а, 5, ТСТ значение /„ов приходится

Г втор

Подбирать до тех пор, пока правая часть уравнения (800) не даст выбранного значения tпoв. Анализ же уравнения (800) сразу позволяет сделать важные для конструирования топок выводы. «Температура стенки» tTlOB будет равна температуре газа tг* ес­ли газ поглощает все излучение (5 = 1). при любой температуре tcr противолежащей поверхности нагрева. При этом, разумеет­ся, пренебрегаем внешними потерями. Если же учесть эти поте­ри, то /пов будет всегда несколько ниже tv. Далее в случае аб­солютно поглощающего газа, согласно уравнению (799), все теп­ло, идущее от косвенной поверхности нагрева, поглощается сло­ем газа и, следовательно, тепловой поток на поверхность нагре­ва (от косвенной поверхности нагрева) равен нулю. Если учесть, что по закону Кирхгофа газ излучает тем большее количество тепла, чем больше он поглощает, то получаем следующий вывод: влияние косвенной поверхности нагрева будет тем меньше, чем больше излучение слоя газа, лежащего между косвенной и соб­ственно поверхностью нагрева. Этот факт можно подтвердить следующим опытом: в нагревательной печи с толкателем грею­щий газ проходит между сводом и нагреваемыми слитками и от­дает тепло одновременно косвенной поверхности нагрева (свод и боковые стены) и собственно поверхности нагрева (поверхность слитков, обращенная к газам); косвенные поверхности нагрева отдают полученное тепло поверхности нагрева путем излучения (как описано выше). Как указано на стр. 285, излучение газа можно значительно увеличить, если сделать пламя светящимся за счет карбюрации. Вследствие этого повышается не только пря­мая теплоотдача к садке, но и теплоотдача на косвенную поверх­ность нагрева, которая в дальнейшем условно называется «сво­дом». Так как вследствие карбюрации степень черноты слоя газа значительна увеличится, температура свода, согласию уравне* нию (800), значительно повышается, но передача тепла на по­верхность нагрева не увеличится, и так как излучение свода на поверхность нагрева равно нулю, если степень черноты слоя газа будет равна 1, следовательно, газ излучает как абсолютно чер­ное тело и достигается максимальная величина теплоотдачи. По­этому излучение свода на поверхность нагрева, несмотря на по­вышение температуры свода, должно уменьшаться с увеличением степени карбюрации. Сначала относительно холодный свод тре­бует значительного количества тепла для разогрева. В это время теплопередача высокая, а температура отходящего газа низкая. Карбюрация полностью оправдывает себя. Но постепенно тем­пература свода будет повышаться, а теплопередача на свод — уменьшаться вследствие связанного с этим уменьшения разности температур газ - г - свод. Поэтому температура отходящего газа повышается. Это происходит до тех пор, пока не установится но­вое стационарное состояние по уравнению (800). Подробные ис­следования процесса карбюрации каждый раз подтверждают это положение. При этом увеличение температуры отходящего газа настолько велико, что спустя 2—3 часа устанавливается стацио­нарное состояние при температуре отходящего газа, почти рав­ной его первоначальной температуре. Это явление настолько дис^ кредитировало использование карбюрации в прокатных печах, что автор отказался от проведения дальнейших опытов. Объяс­нение было получено не сразу. Лишь точное исследование про­блемы вышеописанным способом позволило выяснить этот воп­рос. С одной стороны, опыты показали, какое черзвычайно важ­ное значение в топках имеют косвенные поверхности нагрева, и, с другой стороны, подтвердили большое значение поглощения из­лучения слоем газа, лежащим между косвенной и собственно по­верхностью нагрева, т. е. степень черноты 5 слоя газа. Хотя в данном случае карбюрация вызывает значительное увеличение коэффициента теплопередачи и вследствие этого увеличивает прямую теплопередачу, уменьшение косвенной теплопередачи настолько значительно, что сводит на нет это увеличение.

Однако из этих взаимосвязей уже найдено средство для по­вышения эффективности карбюрации: во всех случаях, где боль­шое значение имеют косвенные поверхности нагрева, карбюра­цию следует периодически прерывать, например: 5 мин. — карбю­рация и 5 мин.—пауза. Во время перерывов карбюрации свод мо­жет излучать на поверхность нагрева полученное дополнитель­ное количество тепла, вследствие чего обеспечивается желаемый результат. Такая прерывистая карбюрация непроизвольно полу­чается в печах, где каждый раз после загрузки топлива вручную возникает светящееся пламя, которое затем постепенно теряет свою светимость.

Бесспорно, значительная эффективность карбюрации в мар­теновских печах указывает на то, что косвенные поверхности на­грева играют здесь незначительную роль. Это действительно так. В мартеновских печах температура поверхности ванны настолько высока, что нельзя из-за недостаточной прочности свода поднять его температуру выше температуры поверхности ванны. Это уда­ется до известной степени в результате того, что под сводом су­ществует в какой-то мере неподвижный слой газа, предохраня­ющий свод от действия излучения. Несмотря на это, при горячо идущей плавке температура свода даже несколько превышает температуру поверхности ванны. Однако вследствие высокой сте - йени черноты слоя газа, толщина которого в большинстве случа­ев около 2 м, излучение, соответствующее этому повышению тем­пературы при высоких значениях температуры свода (1650 до 1700°С), ослабляется по пути к ванне. К этому надо добавить еще большие внешние потери тепла сводом, который в целях уменьшения силыных температурных перепадов в кирпиче дол­жен быть тонким. Поэтому в действительности в мартеновских печах косвенные поверхности нагрева характеризуются неболь­шим значением и карбюрация обеспечивает существенную интен­сивность теплопередачи.

Какие средства для повышения удельной теплопередачи не­обходимо применить в остальных промышленных печах, у кото­рых косвенные поверхности нагрева в большинстве случаев иг­рают значительную роль?

Прежде всего следует увеличить самую косвенную поверх­ность нагрева. Следовательно, согласно уравнению (800), темпе­ратура ее увеличивается с увеличением Т7втор при постоянных размерах поверхности нагрева Т7. Но в результате этого происхо­дит значительное увеличение излучения на собственно поверх­ность нагрева; следовательно, степень черноты слоя газа 5 и процент поглощенного излучения остаются постоянными. Естест­венно, при этом ставится условие, чтобы косвенная поверхность нагрева не была расположена в неподвижных слоях газа, так как при этом образуется слой холодного газа, который значительно уменьшает передачу тепла как конвекцией, так и излучением. Увеличение косвенной поверхности нагрева, в соответствии со сказанным выше, эффективно в тех случаях, когда степень чер­ноты слоя газа 5 не очень велика.

Второй путь, который позволяет повысить удельную теплопе­редачу в промышленных печах, заключается в увеличении тол­щины слоя газа, лежащего над поверхностью нагрева, причем теплопередача увеличивается за счет излучения. Так как при этом поперечное сечение газового потока увеличивается, то ско>- рость и связанная с ней теплопередача конвекцией уменьшаются. Но в большинстве случаев это не имеет значения, так как тепло­передача конвекцией по сравнению с теплопередачей излучением газа в топках мала. Естественно, что в противном случае для по­вышения теплопередачи необходимо увеличивать скорость пото­ка. Образование холодных слоев газа над поверхностью нагрева, вызванное уменьшением скорости газа, наносит гораздо больший вред, чем уменьшение теплопередачи конвекцией. Этот недоста­ток устраняется путем установки в газовом потоке вихреобразо-’ вателей. Вследствие этого снова увеличивается теплопередача конвекцией. Кроме того, вихреобразователи являются косвенны­ми поверхностями нагрева и могут быть выполнены так, что, сог­ласно уравнениям (799) и (800), дальнейшее увеличение теплопе­редачи будет достигаться за счет увеличения тор. Можно бы возразить, что увеличение толщины слоя газа между косвенной и собственно поверхностью нагрева означает повышение степени черноты 5 газового слоя и поэтому, согласно уравнению (800), количество тепла, излучаемое на собственно поверхность нагрева, уменьшится. Действительно, это до некоторой степени так, и воз­ражение будет справедлива, если речь идет о сильно светящем­ся пламени, так как оно характеризуется интенсивным поглоще­нием по всей области спектра. Иначе обстоит дело при обычных несветящихся топочных газах, содержащих СОг и НгО. Они по­глощают лишь в определенной части спектра, которая при самых больших толщинах слоя охватывает не более 40% всего падаю­щего от свода излучения. Следовательно, при такой большой толщине слоя этих газов около 60% излучения косвенной поверх­ности нагрева достигает собственно поверхности нагрева, а ос­таток— 40%, в зависимости от толщины слоя газа, будет более или менее поглощаться. В соответствии с этим, степень черноты

5 несветящихся топочных газов всегда меньше 0,4. Физической причиной этого относительно малого поглощения излучения, иду­щего от свода даже при очень толстом слое газа, действующем в своей спектральной области «по-черному», является превраще­ние сильного избирательного излучения топочных газов в тепло при-поглощении его сводом. Затем оно снова возвращается сво­дом как обычное непрерывное излучение твердого тела. Следо­вательно, излучение газа свод превращает в длинноволновое из­лучение. Напротив, непосредственно отраженное излучение, кото­рое в большинстве случаев составляет около 20% всего излуче­ния газа, характеризуется постоянной длиной волны, и поэтому большая часть его будет поглощаться газом. Вот почему мы «не учитываем отраженное излучение. Кроме того, его влияние ком­пенсируется внешними тепловыми потерями, которыми мы так­же пренебрегаем. Следовательно, при несветящихся топочных газах косвенные поверхности нагрева значительно повышают теплопередачу. Непосредственным доказательством того служат печи, построенные с учетом названных выше предложений, тем­ператур^а - свода которых—ни в коем случае—не приближается к температуре газа, что должно было бы произойти, согласно урав­нению (800), когда 5 приближается к единице.

Эти положения не относятся к светящемуся пламени: оно по­глощает по всей области излучения свода, так что при увеличе­нии толщины слоя газа или его яркости 5 быстро приближается к единице. Следовательно, при повышении толщины слоя светя­щегося пламени необходимо учитывать уменьшение влияния кос­венных поверхностей нагрева. Это подтверждают описанные вы­ше орыты по карбюрации пламени (см. литературу на стр. 291.— Прим. ред.)