Учебное пособие по дисциплине «Энергосбережение в промышленных печах» для бакалавров направления 5310100 «Энергетика

2-7. ТЕПЛООБМЕН В ПЕЧАХ. ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ПЕЧАХ.


В промышленных печах одновременно протекает ряд сложных процесс сов: горение и газификация топлива, движение продуктов горения в рабо­чем пространстве, теплообменные и массообменные процессы, связанные с экзотермическими или эндотермическими химическими превращения­ми обрабатываемых материалов и т. д. Все эти процессы взаимно свя­заны, и их совокупность составляет суммарный процесс тепловой обра­ботки материалов. Важнейшим из них является процесс теплопередачи.
В печах подвергаются нагреву разнообразные металлы и неметалли­ческие материалы: керамические (обжиг огнеупоров, строительного кир­пича и т. д.), сырье вяжущих материалов (обжиг цементного клинкера, извести, гипса), химическое сырье (обжиг серного колчедана, хлористо­го кальция и т.д.) и др. В плавильных процессах нагрев предшествует плавлению. Во всех печах для нагрева слитков и заготовок перед прокаткой и ковкой, а также в печах для термообработки металлических деталей нагрев осуществляется через поверхность изделий, уложенных в рабочем пространстве, причем изделия неподвижны или медленно пе­ремещаются. Отформованные керамические изделия — кирпич и фасон­ные изделия — часто складываются в клетки (садка или насадка кир­пича), неподвижно Стоящие в печи или медленно в ней перемещаю­щиеся.
Теплообмен зависит от способа нагрева. Ниже приводится классификация способов нагрева материалов или изделий в печах, отапливае­мых органическим топливом.
По виду технологического процесса различают нагрев материала без изменения или с изменением структуры и физико-химических свойств» плавление шихтовых материалов. По способу использования теплоносителей различают открытый (прямой) нагрев продуктами пол­ного или неполного горения (безокислительный нагрев); косвенный на­грев с муфелированием (изоляцией) продуктов сгорания или изделий; нагрев в «кипящем» слое промежуточного теплоносителя, в расплавлен­ных жидких средах (расплавленном стекле, в соляных растворах). По аэродинамическому состоянию нагреваемого материала различают на­грев в плотном слое материала; нагрев в «кипящем» слое материала; нагрев во взвешенном слое материала (спутное движение, противоточное, вихревое — циклонное).
Нагрев в печах производится открытым способом и реже косвенным путем. Наиболее простым является открытый нагрев, при ко­тором дымовые газы непосредственно соприкасаются с нагреваемым» изделиями (материалом). Этот способ применяется в подавляющем большинстве печей. Сюда относятся плавильные печи, печи для нагрева стальных слитков и заготовок перед прокаткой, ковкой и т. д., печи для обжига огнеупорных изделий и т.д.
Печи с прямым нагревом в свою очередь делятся на печи с боль­шим свободным объемом рабочего пространства, шахтные печи для об­работки кусковых материалов, печи с кипящим слоем, циклонные печи и др. Нагреваемый материал, изделия или шихта лежат на полу, а над ним имеется значительный свободный объем, в котором могут протекать реакции горения топлива. Наличие свободно­го объема позволяет приблизить горящий факел к нагреваемому мате­риалу, что очень выгодно, так как при этом теплопередача становится весьма интенсивной. Это обеспечивает высокую производительность печи.