Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Невский, Александр Сергеевич. Применение теории подобия к изучению тепловой работы нагревательных печей

.pdf
Скачиваний:
6
Добавлен:
29.10.2023
Размер:
5.63 Mб
Скачать

А. С. НЕВСКИЙ

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ

К ИЗУЧЕНИЮ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ

НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО

ЛИТЕРАТУРЫ ПО ЧЕРНОЙ И ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

СВЕРДЛОВСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

Свердловск 1960

Гое, публичная

{*учу • ;• ' •; •« ч ’• {irph- а -

500? ; ’

С г

АННОТАЦИЯ

Освещаются вопросы применения тео­ рии подобия к изучению тепловой работы нагревательных печей. Даются кратко общие положения теории подобия. Рас­ сматривается ее применение для методи­ ческих нагревательных печей и печей периодического действия. Излагаются правила моделирования нагревательных печей.

Предназначается для инженеров, ра­ ботающих в области металлургической теплотехники, и научных работников;

может быть полезной студентам старших курсов втузов.

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

 

 

_В — яркость

луча, ккал/м2 ■

час;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вп — яркость

эффективного

 

излучения

поверхности,

ккал/м2 • час;

 

 

т;с — собственное

излучение

единицы

объема среды,

ккал/м? ■

час;

 

Т.н Гн—абсолютные температуры среды и нагреваемого материала, °К;

 

 

Тл — абсолютная

температура поверхности

 

нагреваемого

материа-

Тн.1

и

Тц.2 — абсолютные средние

температуры посадки

и выдачи нагревае­

 

и

 

 

 

мого материала, °К;

 

 

 

 

 

 

 

нагреваемого материала

Тл.1

Гл.2— абсолютные температуры поверхности

 

 

 

 

 

со стороны выхода продуктов горения

и

со

стороны

 

подачи

 

 

 

 

 

топлива, °К;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

То—абсолютная температура поверхностей второго рода (обму­

 

 

 

 

 

ровки,

изолированных

 

поверхностей

глиссажных и

опорных

 

 

 

 

 

труб, обращенных к излучающему объему), °К;

 

 

 

 

 

 

 

Гх—абсолютная температура охлаждаемых неизолированных по­

 

 

 

 

 

верхностей, °К;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тт

абсолютная

теоретическая

температура

горения, °К;

 

 

 

 

 

 

Ту — абсолютная температура

йродуктов

горения при

выходе их из

 

 

 

 

 

камеры, °К;

температура

начала процесса.

°К;

 

 

 

 

 

 

 

Ti — абсолютная

 

 

 

 

 

 

 

 

Тср—абсолютная температура окружающего пространства и охлаж­

 

 

 

 

 

дающей среды

в охлаждаемых

поверхностях,

°К;

 

 

 

 

й

 

ТвЛ

,

?н.2

>

Тлл

 

> Ю1.2

Тя2

 

°л — „

а

 

 

 

 

°н.1

= ~

°н,2 = ,г

°л,1— „

 

>

 

>

Чу —

1

т

 

 

 

1

т

 

 

1

J

 

 

1

-J

 

 

 

 

1 у

 

 

 

1

j

 

 

 

 

 

 

— безразмерные температуры;

в

единице

 

объема,

ккал/нм3 ■

час;

Е'р.л, Ер0,

q— химическое

 

тепловыделение

 

Ерл

и Ер,и—плотности

результирующего

излучения

на

 

луче-

 

 

 

 

 

воспринимающей поверхности, на обмуровке, на голых

 

 

 

 

 

охлаждаемых поверхностях и на открытых поверхностях в ка­

 

 

 

 

 

мере печи, ккал/м2-час;

 

результирующего теплообмена

 

£р.т.л>

Ерлл,

£р,т.х и £р.т.п — плотности

на

 

 

 

 

 

лучевоспринимающей

 

 

поверхности,

 

на

 

обмуровке,

на

 

 

 

 

 

голых

охлаждаемых

поверхностях

и

 

на

поверхности

 

пода,

 

 

 

 

 

ккал/м2 • час;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Qi—тепло, передаваемое нагреваемому материалу, ккал/час;

 

 

 

Qi—то же,

 

отнесенное к

единице

сгоревшего

топлива,

ккал/нм3

 

 

 

 

 

или ккал/кг;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Qs — тепло,

теряемое

охлаждением

в

камере

печи, ккал/час;

 

 

 

 

Q$ — то же,

 

отнесенное к

единице

сгоревшего

топлива,

ккал/нм3

 

 

 

 

 

или ккал/кг;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

QP—низшая

 

теплотворность топлива, ккал/нм3 или ккал/кг;

 

 

 

 

 

В — часовой

 

расход

топлива,

 

нм3/час или кг/час;

 

 

 

 

 

 

Q =

 

— количество

химической

энергии,

вводимой

в камеру

с

 

топли­

 

 

 

 

 

вом, ккал/час;

в камеру,

на

единицу

сгоревшего

топлива,

 

 

Qo — тепло,

вводимое

 

 

 

 

ккал/нм3

или ккал/кг;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

D — производительность

печи

по выдаваемому металлу, кг/час;

G — количество нагреваемого

материала, загружаемого в периоди­

чески действующую печь, кг;

 

 

 

 

единицу сго­

t>o — теоретически

необходимое количество

воздуха на

ревшего топлива, нм3/нм3

или нм3/кг;

 

 

 

 

 

а— коэффициент избытка

воздуха

в конце камеры;

 

количество

^с.гД’в.п и vr—количество сухих

газов

и

водяного

пара и

все

продуктов

горения

на

единицу

сгоревшего

топли­

ва, нм3/нм3 или нм3/кг;

 

 

 

в

 

 

 

 

 

 

— химическая

неполнота

горения

процентах

от

тепла

сгорев­

шего

топлива.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

хр , ,1— Яз —доля

химического

тепла

топлива,

выделившаяся

в

камере;

С — истинная

весовая

теплоемкость,

ккал/кг ■ град-,

 

 

 

С — средняя

весовая

теплоемкость,

ккал/кг ■ град;

 

 

 

 

с — средняя

объемная

теплоемкость, ккал/нм3 - град;

 

 

А — коэффициент

турбулентного

обмена,

кгсек/м2;

 

 

 

w — вектор скорости

среды,

м/сек;

 

 

 

 

 

 

 

у — удельный вес среды,

кг/м3;

 

 

 

 

 

 

 

 

Л — коэффициент

теплопроводности,

ккал/м - час •

град;

 

 

k — коэффициент

поглощения

среды, м ~~ 1 •

 

 

 

и глис-

К — коэффициент

теплопередачи

через

ограждения

печи

сажные и опорные трубы,

ккал/м2 - час • град;

 

излучаю­

а — поглощательная

способность

поверхностей

внутри

щего

пространства,

если

поверхность

является

лучевосприни-

мающей поверхностью нагреваемого материала, поверхностью второго рода или охлаждаемой неизолированной, то к букве а

добавляются нижние индексы

л,

о

и х;

оо — константа черного излучения,

ккал/м2 • час - град4;

ав ■— видимый

коэффициент излучения,

ккал/м2 • час • град*;

°в

степень черноты;

 

 

 

«в = — — видимая

 

 

 

°о

 

 

 

 

g—ускорение силы тяжести, м/сек2;

 

 

VK— свободный объем камеры печи, м3;

 

^ст— поверхность всех стен свободной

камеры печи, м2;

х4Vk

о — —— — геометрическая характеристика излучающего объема,

м;

 

г СТ

 

 

 

 

 

 

Нл,

Но* Нх, Ни и Нп —величины

эффективной

лучевоспринимающей по­

 

верхности нагреваемого

материала,

поверхностей

второго

 

р<

охлаждаемых

неизолированных,

открытых поверхностей

 

в

камере печи и поверхностей пода,

м2;

 

 

I — определяющий линейный размер, м;

 

 

 

 

 

 

ql

 

 

 

 

 

 

nt =-------- .

 

 

 

 

 

 

■jwC'

 

 

 

 

 

Определяющие

критерии:

 

 

_ Нлаат3

 

 

 

 

 

 

1

-\wC'

 

 

 

 

 

 

 

Нлз0Т*

— первый режимный критерий;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= Bvrcy_.

,Т,

n2 ~ “ZT — второй режимный критерий;

/ т

4

п3 = kl =с«ср— критерий оптических

свойств

среды;

/

7„.i

й

начальная температура нагреваемого

л4

=------ — безразмерная

 

Тт

материала;

 

 

 

 

J X

 

 

 

Г

— безразмерная

температура охлаждаемых неизолиро­

я6 = т

z

 

ванных поверхностей;

 

 

--------- 1—

безразмерная

потеря

тепла

поверхностями второго.

Я К —-

6

<?'Q

 

 

 

 

рода;

/^П^рт.Н

К7 ~

безразмерная потеря тепла подом;

 

? <2

/g

 

 

л8 =------ — критерий

 

турбулентного обмена

(Кирпичева) ?

 

 

 

fU)/

 

 

 

 

 

 

/

 

V " Т

— критерии

«»

теплопроводности нагреваемого

материала

 

 

- -----------

 

 

 

 

 

(Старка);

 

 

 

 

Th Сн w>

— критерий

скорости движения

нагреваемого мате

 

"10 =------—

 

 

ywC

риала;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

Bvc„

 

— критерии производительности печи для частного слу-

 

 

ГС}

 

 

чая печи

с установившимся режимом;

 

111 ° - /wT3’J

 

 

 

 

111' ~

X

T

 

 

 

 

 

 

— критерий

 

гомохронности (Фурье);

 

z

G

Си

— критерий

производительности

печи для

частного

л 11“

 

з

“ла<н т

случая печи периодического действия; ^12 = а — поглощательная способность поверхностей.

Определяемые критерии:

,Гу

]

з = —------безразмерная температура продуктов горения, покидающих

 

/ т

 

 

 

 

 

камеру;

 

 

 

 

 

Рр.л___

полезного

тепловосприятия;

 

 

— критерии

 

 

?'<2

 

 

 

 

15 —

вд£р.л

тепловой

нагрузки лучевоспринимающей поверх-

— критерии

 

v'Q

 

 

 

 

 

ности;

 

 

 

 

16 =-

Г рд

тепловой

нагрузки

охлаждаемых

неизолироваи-

— критерии

 

v'Q

 

 

 

 

 

пых поверхностей;

 

 

 

 

/7и2?р и

потери тепла через

открытые

окна в камере

 

критерий

 

KnV'Q

 

 

 

 

печи;

5

'

Тн 2 — безразмерная

температура нагрева материала;

"18

//г'т

 

 

19

— безразмерная

температура поверхностей второго рода;

 

 

/Ялв

— критерий яркости излучения.

<Q

Примечания: 1. Температуры в градусах С обозначаются буквой t

стеми же индексами, что и абсолютные температуры.

2.Для обозначений температур, скорости, удельного веса и теплоемкости в применении к нагреваемому материалу у основного обозначения ставится нижний индекс н.

3.В разделе, посвященном моделированию, обозначения физических ве­

личин для модели ставятся с нижним индексом м.

4. В обозначениях средних теплоемкостей нижние индексы показывают интервал температур, к которому отнесена теплоемкость. В том случае когда

средняя теплоемкость

берется в

интервале температур от 0° С,

нуль опус­

кается.

подобного

преобразования обозначаются

буквой С

5. Коэффициенты

с нижним индексом величины, к которой они относятся.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Среди теплотехников в качестве метода исследования работы промышленных аппаратов получила широкое распространение теория подобия. Теория подобия применяется при обработке экс­ периментальных материалов и при изучении работы агрегатов на моделях. В Советском Союзе это направление, в применении к изучению теплообменных аппаратов, работающих по принципу конвекции, развивалось трудами академика М. В. Кирпичева и его сотрудников.

В течение последнего времени были сделаны попытки приме­

нить теорию подобия также и к изучению теплообменных аппа­ ратов, работающих по принципу радиации. Задача эта имеет большое значение для промышленности, но представляет вместе с тем и очень большие трудности. Эти трудности объясняются прежде всего сложностью самих явлений излучения. Так, напри­ мер, излучение в каждой точке объема печной среды и для каж­ дой длины волны характеризуется совокупностью яркостей по всем направлениям, т. е. определяется числом яркостей, равным

бесконечности в квадрате. Число переменных, характеризующих

поле яркостей для всего спектра излучения, будет равно беско­ нечности в кубе.

Спектральный состав излучения печных сред определяется рядом излучающих компонентов, таких, как углекислый газ,

водяной пар, мельчайшие частицы сажи, иногда частицы пыли и

золы, а также другие излучающие газы. Характер излучения в камере определяется как явлениями излучения в самом объеме, так и излучением ограничивающих поверхностей. Применение

теории подобия к явлениям излучения усложняется еще тем об­

стоятельством, что в каждом теплообменном аппарате помимо явлений излучения имеет место ряд других явлений, связанных с излучением, а именно явления гидродинамики, горения, молеку­ лярной и турбулентной диффузии, теплопроводности.

Сложность рассматриваемых явлений при их анализе застав­ ляет исследователей прибегать к различного рода упрощениям.

Одним из таких упрощений, очень часто применяемых, является допущение серого излучения среды.

При изучении нагрева металла в камерах печей всю задачу обычно разделяют на две частных: задачу теплообмена в рабочем

пространстве печи и задачу прогрева металла. Первую называют внешней задачей, вторую — внутренней. При изучении внешней

7

задачи процесс прогрева металла по существу не рассматривает­

ся, а температура поверхности металла или закон ее изменения считаются при этом заданными.

Наоборот, при рассмотрении внутренней задачи изучается са­ мый процесс прогрева металла, а явления, протекающие в излу­ чающей камере, рассматриваются только для выбора краевых условий на лучевоспринимающей поверхности.

В некоторых более простых случаях, как например при рас­ смотрении явлений теплообмена в топках паровых котлов при чистых поверхностях нагрева, температура лучевоспринимающей поверхности является практически постоянной. Внутренняя задача

в связи с этим отпадает и остается только внешняя задача. На­ оборот, в нагревательных печах температура лучевоспринимаю­ щей поверхности связана с самим процессом прогрева металла, который является в этом случае важным фактором, определяю­ щим работу печи. Поэтому изолированное рассмотрение только одной внешней задачи в этих случаях недостаточно. Необходимо рассматривать совместно теплоотдачу в камере печи и нагрев

металла. В наших более ранних работах [1, 2, 3] рассматривалось

применение теории подобия к внешней задаче. В настоящей ра­ боте мы стремились применить теорию подобия к нагревательным печам одновременно с точки зрения как внешней, так и внутрен­ ней задач.

В печати имеется много теоретических работ по теории подо­ бия. В большинстве этих работ авторы подходят к вопросу теории подобия с сугубо математических позиций, мало интересуясь практической стороной дела. В нижеследующем изложении мы,

наоборот, не ставили цели разбираться в математических тонко­ стях вопроса, а стремились подойти к нему главным образом с практической стороны, пытаясь при этом дать по возможности

полное и, вместе с тем, краткое обоснование основных принци­

пиальных положений теории подобия.

Изложению основ теории подобия нами предпослано краткое описание метода анализа размерностей, применяемого в ряде случаев для анализа результатов исследований тепловых процес­ сов и аппаратов. При составлении второй главы, посвященной общим основам теории подобия, мы широко использовали фунда­ ментальную работу по этому вопросу А. А. Гухмана [4], а также работы М. А. Михеева [5] и С. Н. Шорина [6].

Материалы, описанные в последующих главах, разрабатыва­ лись нами в лаборатории мартеновских печей Всесоюзного науч­ но-исследовательского института металлургической теплотехники (ВНИИМТ).

За ценные указания и внимательный просмотр рукописи автор

приносит благодарность редактору книги докт. техн, наук А. В. Кавадерову и рецензенту книги канд. техн, наук В. Н. Ти­ мофееву.

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ