Тепловые потери сталеразливочного ковша

Расчет распределения температур в стенках для стационарного состояния не представляет трудностей. Более сложными являются вопросы теплопоглощения стенки при нестационарном состоянии, имеющем место при ее разогреве или периодически повторяющемся нагреве и охлаждении.

На основе метода мгновенного регулярного режима [] разработан приближенный метод решения задач теплопроводности в многослойных телах, состоящих из произвольного конечного числа слоев с различными теплофизическими свойствами.

Детальное теоретическое исследование различных режимов разогрева кладки печей было выполнено Г. П. Иванцовым в связи с проектированием нагревательных печей. Использованный метод заключался в представлении температурного поля в стенке при изменении температуры среды или на поверхности в виде суммы температурных полей, граничным условием которых является мгновенное повышение температуры. Для бесконечно толстой стенки и стенки конечной толщины рассмотрены различные случаи нагрева: при постоянной температуре на поверхности, при постоянном тепловом потоке, при постоянной скорости изменения температур во времени и др. Показан предел применения зависимостей, выведенных для бесконечно толстой стенки, к расчетам нагрева стенки конечной толщины, определяемый глубиной прогрева, равной

где К — постоянная величина;

а — коэффициент температуропроводности стенки.

К расчету периодически повторяющегося нагрева и охлаждения стенок печей обычно подходят на основе рассмотрения гармонических колебаний температуры тела на поверхности по закону синуса или косинуса.

Коэффициентом теплоусвоения поверхности ограждения называется отношение амплитуды колебаний теплового потока A_q к амплитуде колебаний температур A_t. Для однородного материала и гармонических колебаний температур коэффициент теплоусвоения равен где l, с и r — коэффициент теплопроводности, теплоемкость и плотность; Dt — период колебаний.

Колебания температур на внутренней поверхности ограждения вызывают колебания температур по толщине. По мере удаления от поверхности амплитуда колебаний постепенно уменьшается. Кроме уменьшения амплитуды, происходит также запаздывание колебаний во времени. Расстояние между двумя максимумами или минимумами называется длиной волны. Для характеристики числа волн служит величина показателя тепловой инерции или условная толщина ограждения D. Для однородного материала эта величина представляет собой произведение термического сопротивления R на коэффициент теплоусвоения S.

Для анализа теплоусвоения сложных ограждений, состоящих из нескольких слоев, понятия «толстого» и «тонкого» слоев являются весьма существенными. Если колебания температур в основной своей части сосредоточиваются в слое, то коэффициент его теплоусвоения зависит только от материала данного слоя и не зависит от его толщины. Такой слой называют толстым. Если колебания температур сосредоточиваются и в глубже расположенных слоях, то теплоусвоение поверхности зависит не только от материала поверхностного слоя, но также и от материала глубже расположенных слоев. Таким образом, поверхностный слой оказывается тонким. При уменьшении периода колебаний увеличивается коэффициент теплоусвоения поверхности, тонкий слой становится толще, т. е. глубжележащие слои перестают оказывать влияние на теплоустойчивость рассматриваемой поверхности.

Анализ аккумуляции тепла в стенках периодически действующих печей имеет важное значение для установления оптимальной толщины стенки печи, при которой потери тепла в окружающую среду минимальны. Сопоставления выражений для стенок неограниченной и ограниченной толщин показали, что для стенки ограниченной толщины зависимости включают относительную толщину стенки и критерий, учитывающий теплофизические свойства стенки и теплообмен с окружающей средой При для расчета теплопоглощения стенки ограниченной толщины можно использовать зависимости для толстой стенки.

Анализ показывает, что вопрос об оптимальной толщине стенки в отношении тепловых потерь можно рассматривать лишь при

значениях критериев и .

Во всех остальных случаях (включающих и большинство встречающихся на практике) вопрос об оптимальной толщине стенки не имеет смысла, так как при увеличении толщины стенки расход тепла уменьшается. Сущность этого вывода заключается в том, что при увеличении толщины стенки пульсирующая слагаемая теплопоглощения для стенки конечной толщины быстро сравнивается с пульсирующей слагаемой для бесконечной стенки. Поэтому дальнейшее увеличение толщины стенки не оказывает влияния на пульсирующую слагаемую, но уменьшает стационарную слагаемую. В результате при увеличении толщины стенки суммарные тепловые потери снижаются.

Аналогичный вывод получается для двухслойных стенок. При , где s₁ — толщина первого слоя, двухслойная стенка ведет себя как бесконечно толстая в отношении теплопоглощения первым слоем, независимо от того, какими свойствами обладает второй слой. В большинстве случаев пульсирующая слагаемая теплового потока двухслойной стенки практически не отличается от подобной для однородной стенки, состоящей из материала первого слоя. Толщина и физические свойства второго слоя оказывают влияние лишь на стационарную слагаемую теплового потока. Если соблюдено условие , то пульсирующая слагаемая не зависит также от толщины первого слоя, а определяется его теплофизическими свойствами. Теплоизоляция стен печей периодического действия с применением двухслойных стен всегда ведет к снижению тепловых потерь. Существующие в литературе расхождения по этому вопросу связаны с тем, что расход тепла на первоначальный разогрев кладки и на аккумуляцию при периодическом процессе существенно различны. Если в первом случае расход тепла пропорционален толщине кладки, то во втором он не зависит от ее толщины.

Уменьшение тепловых потерь на аккумуляцию тепла кладкой периодических печей может быть достигнуто экранированием кладки, что приводит к новому типу печей, которые называют безынерционными. Сущность метода экранирования заключается в замене массивной кирпичной кладки устройством, в котором кладка печи закрыта от непосредственного воздействия рабочего пространства печи экраном, отделенным от кладки воздушной прослойкой. Эффект экранирования может быть увеличен выбором степени черноты его поверхности и поверхности кладки. Для определения толщины экрана могут быть использованы закономерности теплопоглощения ограждений при наличии прослоек. При большой толщине экран ведет себя как толстая стенка, коэффициент теплоусвоения которой зависит от материала и длительности периода. При малой толщине экрана на коэффициент теплоусвоения оказывает влияние также тепловое сопротивление в зазоре. Чрезмерная толщина экрана снижает эффект экранирования.

При работе печи с постоянным во времени температурным режимом по толщине кладки устанавливается стационарное распределение температур. При этом тепловые потери характеризуются величиной стационарного удельного теплового потока

где t_n — температура внутренней поверхности стенки кладки;

/₀ — температура окружающей среды;

г — толщина стенки;

А, — коэффициент теплопроводности стенки;

а — коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности

стенки в окружающую среду.

При работе периодически действующей печи тепловой поток, подводимый к внутренней поверхности стенки, представляет собой сумму двух тепловых потоков: стационарного, проходящего через стенку в окружающую среду, и нестационарного, поглощаемого стенкой печи.