Теплообмен в доменных печах
В доменной печи шихта двигается сверху вниз, а раскаленные газы двигаются снизу вверх. Таким образом, осуществляется противоток газа и шихты. Характер теплообмена между газом и кусками шихты зависит от соотношения их водяных эквивалентов. Водяным эквивалентом газа (шихты) называют произведение расхода газа (шихты) на его (ее) теплоемкость, т.е.
Wг = Gгcг; Wш = Gшcш,
где Wг и Wш— водяные эквиваленты газа и шихты, Вт/К;
Gг и Gш — расход газа и шихты, кг/с или м3/с;
сг и сш — теплоемкость газа и шихты, Дж/(кг×К) или Дж/(м3×К).
Соотношение между водяными числами газа и шихты оказывает существенное влияние на теплообмен в шахтных печах. Характерными являются две противоточные схемы теплообмена, представленные на рис. 110.
Если водяной эквивалент газового потока больше водяного эквивалента потока шихты, т.е. Wг > Wш, то температура шихты достигает начальной температуры теплоносителя (газа) Тг',а теплоноситель выходит из теплообменника с температурой Тг''.
В этом случае при сохранении постоянным коэффициента теплопередачи и соотношения водяных эквивалентов по высоте шахтной печи температуру шихты на различных горизонтах шахты можно определять по приближенному уравнению Б. И. Китаева:
, (102)
где – числовой коэффициент, зависящий от критерия Био;
au — коэффициент теплоотдачи на единицу объема шихты, Вт/(м3×К);
f — пористость слоя шихты (доли единицы), равная отношению объема, незанятого кусками шихты, ко всему объему;
t —- время от начала загрузки, шихты, с;
Н —- высота положения шихтовых материалов, м.
Когда водяной эквивалент шихты больше водяного эквивалента газа, т.е. Wш > Wг, газы отдают все свое тепло шихте и охлаждаются до температуры поступающей шихты Тш. Однако этого тепла не хватает, чтобы нагреть шихту до начальной температуры газов. Шихта после теплообмена будет недогретой, ее температура Тшбудет ниже температуры поступающих в шахту газов Тг.
Для определения температуры газа на различных горизонтах шахты при этой схеме теплообмена можно использовать второе приближенное уравнение Б. И. Китаева:
. (103)
Для определения температуры шихты используют уравнение теплового баланса:
.
Определение коэффициентов теплоотдачи в шахтных печах представляет собой большую сложность, поскольку форма н размер кусков шихты являются крайне неопределенными.
Эта сложность углубляется так же тем, что и расстояние между кусками является весьма неопределенным. Теплообмен от газов к кускам шихты осуществляется тремя видами теплопередачи: конвекцией, теплопроводностью и излучением, с переменным удельным значением каждого вида передачи тепла. Преобладающее значение имеет теплопередача конвекцией, так как расстояние между кусками весьма мало и тепловое излучение невелико.
Все это вызвало необходимость использовать в расчетах теплообмена в шахтных печах коэффициенты теплоотдачи на единицу объема au [Вт/(м3×К)] и на единицу поверхности aF [Вт/(м2×К)], связанные между собой следующим соотношением:
au = aF F(1 – f), (104)
где F — средняя удельная поверхность кусков шихты (м2/м3).
Для определения коэффициента теплоотдачи на единицу поверхности кусков могут быть использованы эмпирические уравнения. Одно из таких уравнений, полученное А. Н. Чернятиным, имеет следующий вид
Nu = 0,53Y0,34Re0,66, (105)
где Y — коэффициент формы, учитывающий потери поверхности в местах контактов между кусками. Для кусков руды Y = 0,86.
Используя выражения (104) и (105), можно найти коэффициенты aF и au, необходимые для расчетов по уравнениям (102) и (103).
В реальных условиях работы доменной печи наблюдаются отклонения в постоянстве соотношения водяных эквивалентов, вызванные влиянием физико-химических процессов, протекающих в объеме печи.
В условиях работы доменной печи по ее высоте разграничивают три зоны теплообмена (рис. 111): 1) верхняя зона, в которой теплообмен происходит в условиях Wг > Wш и тепло газа используется не полностью; 2) средняя зона, в которой теплообмен происходит вследствие протекающих в ней экзотерми-ческих реакций, и 3) нижняя зона (при Wг < Wш), в которой наблюдается самый интенсивный теплообмен.
Эти положения объясняют ряд известных положений, замеченных на практике. Например, тепло нагретого дутья полностью используется в нижней части печи, поскольку здесь Wг < Wш и происходит интенсивный теплообмен; введение кислорода в дутье или уменьшение удельного расхода кокса снижает температуру колошника благодаря тому, что уменьшаются количество газов и Wг.
Дата добавления: 2015-11-10; просмотров: 2388;