Основы тепловой работы печей

4.1 Развитие науки о печах: гидравлическая теория В.Е. Грум-Гржимайло, энергетическая теория Н.Н. Доброхотова-И.Д. Семикина

Одной из первых теорий, объединявших представления о промышленных пламенных печах, была гидравлическая теория пламенных печей Михаила Васильевича Ломоносова, развитая профессором Владимиром Ефимовичем Грум-Гржимайло в 1909-1910 гг. в гидравлической теории расчёта пламенных печей на основе применения законов гидравлики к движению печных газов. В те времена печи работали на твердом и иногда на жидком и газообразном топливе. Преобладающим движением дымовых газов было естественное движение под действием тяги дымовой трубы. Топка отделялась от рабочего пространства печи пламенным окном. Вентиляторов обычно не было. Поэтому воздух входил в топку под действием естественной тяги. Печи, работающие на таком принципе, назывались самодувные.

Основные положения гидравлической теории расчёта пламенных печей (в кавычках выделены формулировки из книги Грум-Гржимайло В.Е. " Пламенные печи", 1932 г.):

1. Главный фактор успешной работы печи – организация движения продуктов сгорания в рабочем пространстве печи. Это положение актуально и сейчас.

2. " Движение пламени в печах подчиняется законам движения легкой жидкости в тяжелой (пламени в наружном воздухе)". Таким образом, печные газы движутся в рабочем пространстве, прижимаясь к своду. " Всякое движение всякой жидкости есть результат расхода напора", т.е. движение газов происходит под действием тяги дымовой трубы.

3. Для успешной работы печи дымовые окна для удаления дыма из рабочего пространства печи должны располагаться на уровне пода или в поду. " Отработавшие печные газы должны направляться кратчайшим путем в дымовую трубу. Под должен быть тщательно канализирован. Должно избегать мешка холодных газов на поду".

4. " Подсводовое пространство есть идеальная сожигательная камера; в интересах правильности протекания реакции горения, правильности и равномерности нагрева предметов, расположенных на поду, рекомендуется делать печи с высоким сводом". Чтобы газы успели охладиться в пределах рабочего пространства печи, т.е. успели передать как можно больше теплоты нагреваемым материалам, время пребывания газов в рабочем пространстве печи – t_преб – должно быть продолжительным, а скорость газов – W_д – минимальна

t_преб = L_печи / W_д и W_д = v_д / F_сеч, (4.1)

где L_печи – длина печи [м]; v_д – расход дыма [м³/с]; F_сеч – площадь сечения печи для прохода дыма [м²].

Гидравлическая теория предлагала следующую методику расчета печей: вводилось понятие скорости падения температуры пламени (дымовых газов) от калориметрической температуры t_кал до температуры уходящих из печи газов t_ух за время пребывания газов в рабочем пространстве печи t_преб

С_пад = (t_кал - t_ух) / t_преб. (4.2)

Исходя из известной скорости падения температуры всегда можно найти температуру уходящих газов и рассчитать тепловой баланс печи.

Принципиально новой явилась, так называемая, общая теория печей академика Николая Николаевича Доброхотова, разработанная в 1923-27 годах. Он впервые показал, что движение газов в печах имеет турбулентный, а не ламинарный характер, в связи с чем процессы смешения газов и горения топлива протекают по законам турбулентного, а не ламинарного потока. Основные положения теории заключаются в следующем:

1. Для улучшения теплопередачи конвекцией и излучением газы должны двигаться в рабочем пространстве печи как можно ближе к поверхности нагреваемых предметов с возможно большей скоростью. Для этого печи нужно строить с небольшим поперечным сечением рабочего пространства;

2. Горение топлива при высоких температурах определяется условиями смешения его с кислородом воздуха. Химическая реакция горения протекает очень быстро и не лимитирует скорость процесса сжигания топлива;

3. Длина турбулентного факела пропорциональна диаметру топливной струи и не растет с увеличением тепловой нагрузки при постоянном соотношении топлива и воздуха;

4. Геометрический напор газов в печах мал по сравнению с кинетической энергией газов. Влиянием геометрического напора можно пренебречь, при этом можно учитывать только силы инерции и кинетическую энергию газовых потоков;

5. Тепловую мощность печи необходимо определять количеством не только подаваемого в нее топлива, но и кислорода, потребляемого печью для сжигания топлива. Недостаток подаваемого кислорода для полного горения топлива не позволяет использовать всю мощность;

6. Очень важное значение имеет выбор системы транспортировки перерабатываемых и получаемых в печи материалов, которая определяет тип печи и является главной ее особенностью.

Эта теория открыла новые направления в конструировании компактных печей с принудительным движением газов. Печи стали работать на жидком и газообразном топливе, появились вентиляторы, исчезли отдельно расположенные топки. Эта теория работала в период индустриализации страны, когда главным требованием промышленности была высокая производительность печей несмотря на повышенный расход топлива. Большинство положения общей теории Н.Н. Доброхотова действительно и по сегодняшний день.

В работу по развитию общей теории печей включились многие ученые, способствуя своими исследованиями появлению новых разделов, связанных с моделированием работы печей, созданию новых методов расчета промышленыx печей для различных технологических процессов.

Среди работ, отражающих развитие теории печей в 30-х годах, следует назвать труды профессора Иосифа Даниловича Семикина, который, опираясь на исследования, выполненные в начале 1910-х годов инженером Николаем Евгеньевичем Скаредовым, выдвинул в 1930 г. лозунг " Успех решает большая тепловая мощность". Попутно можно отметить, что научная заслуга Н.Е.Скаредова заключается в том, что он показал и доказал следующее: различие в работе одинаковых мартеновских печей определяется их разной тепловой мощностью. Впервые им установлено, что тепловая мощность является главнейшим фактором, определяющим работу всякой печи.

В 1934 г. свои взгляды на тепловую работу печей И.Д.Семикин назвал энергетической теорией печей в противовес гидравлической теории В.Е.Грум-Гржимайло. Основные положения энергетической теории:

1. Необходимо проектировать и строить печи с увеличенной тепловой мощностью. Это основное условие высокой производительности работы печи.

2. Для достижения высокой тепловой мощности необходимо увеличивать тягу печи за счет строительства высоких дымовых труб и увеличения мощности дымососов, увеличивать поверхности теплообмена теплоутилизирующих устройств для повышения температуры нагрева воздуха и др.

Реализация на практике положений энергетической теории печей, как ранее гидравлической теории, показала недостаточность одностороннего подхода к решению проблем, существующих в металлургических печах, главными из которых являются сокращение удельного расхода топлива и повышение удельной производительности.

Профессор Марк Алексеевич Глинков, использовав достижения современной науки и техники, учтя ошибки и недостатки гидравлической и энергетической теорий печей, создал в 1959-1962 годах свою, новую общую теорию печей. Основой этой теории стал основной принцип: предметом теории печей должно быть комплексное исследование трех связанных между собой процессов, происходящих в печах:

1. Сжигание топлива.

2. Движение печных газов.

3. Теплопередача от газов к нагреваемым материалам.

4.2 Теплотехническое содержание понятия " промышленная печь", процессы, происходящие в печах

Любая печь, как энергетический агрегат, может быть представлена общей схемой: " источник энергии" ® " теплота" ® " объект тепловой обработки (материалы)". В этой общей схеме должны быть звенья, соединяющие источник энергии с объектом её приложения.

В топливной печи эти звенья представлены наиболее полно. Можно выделить следующие четыре звена тепловой работы топливной печи:

1) сжигание топлива, т.е. превращение химической энергии топлива в теплоту, носителями которой являются продукты горения – дымовые или печные газы;

2) движение печных газов, с помощью которого теплота переносится во все зоны рабочего пространства, а отработанные газы уходят из печи;

3) внешняя теплопередача, т.е. передача теплоты от печных газов излучением и конвекцией на поверхность нагреваемых материалов;

4) внутренняя теплопередача от поверхности материалов (кусков, массивных изделий) к их середине теплопроводностью.

В электрических печах некоторые звенья схемы будут отсутствовать. Например, в них нет горения топлива и движения газов.

4.3 Классификация печей: по принципу теплогенерации, по технологическому назначению, по конструктивным отличиям