Закономерности противоточного теплообмена

Доменная печь относится к противоточным теплообменникам. Течение процесса основано на противотоке горячих газов, поднимающихся снизу вверх, и движущихся навстречу им сверху вниз шихтовых материалов и образующихся из них чугуна и шлака.

В теплообменник входит газ с температурой , а выходит с температурой . Расход газа составляет , а его теплоемкость . Шихта поступает в теплообменник с температурой , а выходит с температурой . Расход шихты составляет , а его теплоемкость .

Рассмотрим противоточный теплообменник, высота которого достаточна для завершения теплообмена между потоками. Характер изменения температур потоков газа и материала определяется:

Тепловым балансом в элементарном объеме теплообменника высотой dH:

(2.2‑1)

и уравнением теплообмена:

(2.2‑2)

где - коэффициент теплопередачи, кДж/(м²×с×град); - площадь поверхности кусков материала, проходящего в единицу времени через слой высотой , м²/мин.; - время, мин.

Введем понятия теплоемкости потока газов и теплоемкости потока шихты .

Из уравнения теплового баланса можно видно, что характер изменения температур определяется отношением теплоемкостей потоков, участвующих в теплообмене:

(2.2‑3)

В первом случае, когда W_Г>W_М (W_М/W_Г<1), температура газов изменяется в меньшей степени, чем температура материалов. Поток газов имеет большую теплоемкость. Его тепла хватит для того, чтобы нагреть поток материалов до температур равных температуре газа, с которой он вступает в теплообмен. Следовательно, при выходе из теплообменника в результате теплообмена поток материалов будет иметь температуру равную начальной температуре газов. В направлении движения газов разность температур потоков растет. Так как теплоемкость потока материалов меньше, то поток материалов не может отнять все тепло у потока газов. Поэтому поток газов уходит из теплообменника с температурой выше начальной температуры материалов.

Во втором случае, когда W_Г<W_М (W_М/W_Г<1) температура газов изменяется больше, чем температура материалов. Следовательно, разность температур T – t будет возрастать в направлении движения материалов. Поток материалов, имея большую теплоемкость, отбирает все тепло у газового потока, но не может нагреться до той температуры, с которой в теплообмен вступает газ. Газовый поток в процессе теплообмена остывает до температуры, с которой материалы вступают в теплообмен.

Третий случай теплообмена W_Г=W_М (W_М/W_Г<1) характеризуется тем, что изменения температуры материалов равно изменению температуры газов. А перепад по высоте печи - величина постоянная. Следовательно, изменение температур по высоте теплообменника описывается параллельными прямыми линиями. Угол наклона прямых зависит от условий теплообмена (коэффициента теплопередачи, площади поверхности кусков, скорости материалов).

Рассмотрим теперь особенность доменной печи и доменного процесса по сравнению с большинством других противоточных теплообменников.