12.2. Особенности теплообмена

При нагреве металла в колпаковой печи тепло к наружной поверхности садки передается излучением от муфеля и конвекцией от защитного газа, а к наружной поверхности муфеля излучением и конвекцией от продуктов сгорания и излучением от кладки нагревательного колпака. При охлаждении, наоборот, тепло от садки передается конвекцией к защитному газу и излучением к муфелю, а от муфеля в окружающую среду.

Рис. 12.1. Схема колпаковой печи:
1— нагревательный колпак: 2—муфель; 3 — рулоны полосы; 4 — горелки: 5 — циркуляционный вентилятор; 6 —эжектор для отбора дыма; 7 —конвекторные кольца

В дальнейшем рассматривается, как наиболее разработанная, методика расчета нагрева и охлаждения рулонов стальной полосы в одностопных колпаковых печах. Схема такой печи приведена на рис. 12.1.

Под муфелем размещают несколько рулонов по высоте. Циркуляционный вентилятор подает защитный газ снизу в зазор между муфелем и рулонами. Для доступа защитного газа к торцевым поверхностям рулонов между ними устанавливают конвекторные кольца, в которых имеются каналы переменного сечения. Через эти каналы защитный газ попадает во внутренние полости рулонов, омывает их и возвращается в циркуляционный вентилятор.

Исследования таких печей показали, что в наихудших условиях нагрева и охлаждения находится нижний рулон, поэтому все расчеты теплообмена производят применительно к нижнему рулону.

Расчет теплообмена под муфелем при нагреве

При нагреве теплоотдача излучением происходит от муфеля к наружной боковой поверхности рулона, а к торцевым и внутренней поверхностям теплоотдача происходит только конвекцией от защитного газа. При расчете температуру муфеля, °С, принимают постоянной для всего процесса нагрева:

. (12.1)

где — конечная температура поверхности рулона, °С.

В связи с тем, что защитный газ является лучепрозрачным, приведенный коэффициент теплоотдачи излучением определяют по формуле (13.8), которая для условий нагрева рулонов под муфелем принимает вид

, (12.2)

где C_s=5,77 Вт/(м²*К⁴)—коэффициент излучения абсолютно черного тела; ε_M и ε_p — степени черноты муфеля и рулона; и D_P — внутренний диаметр муфеля и наружный диаметр рулона, м.

Коэффициент теплоотдачи излучением определяют по формуле (13.48), причем рекомендуется принимать среднюю температуру наружной боковой поверхности рулона,°С:

t_σ = 0,9. (12.3)

Коэффициент теплоотдачи конвекцией от защитного газа к наружной боковой поверхности рулона принимают равным 12 Вт/(м2 К), а от защитногоα_σ газа к торцевой и внутренней поверхностям рулона определяют по формулам и графикам разд. 13.2. При этом принимают расчетную температуру защитного газа, °С:

(12.4)

Действительную, скорость защитного газа, м/с, во внутренней полости нижнего рулона определяют по формуле

    (12.5)

а в нижнем конвекторном кольце — по формуле

    (12.6)

где V_Г — действительное количество циркулирующего защитного газа, м³/ч, определяемое, по производительности циркуляционного вентилятора;β — доля газа, проходящего через нижнее конвекторное кольцо (можно принимать β=0,3); и F^сеч_t-проходные сечения во внутренней полости рулонов и в конвекторном кольце, м², которые определяются по формулам

F^сеч_t =0.785 (12.7)

   

где h_T — высота конвекторного кольца, м; D_F и d_p — наружный и внутренний диаметры рулона, м.

Эквивалентный диаметр для канала конвекторного кольца определяют по формуле (13.41). Так как канал имеет переменное сечение, то находят эквивалентный диаметр для начального и конечного сечений, а затем берут среднее значение.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией для торцевой поверхности рулона, Вт/(м²*К), следует умножить на поправочный коэффициент, учитывающий шероховатость торцов:

(12.9)

где α_T коэффициент теплоотдачи конвекцией для торцевой поверхности рулона, Вт/(м²*К), найденный по графикам разд. 13.2.

Определенные таким образом коэффициенты теплоотдачи конвекцией отнесены к температуре защитного газа. Для того чтобы привести их к температуре муфеля, необходимо умножить на коэффициент приведения χ , который определяют по формуле

= , (12.10)

    (12.11)

где α_б, α_т и α_В коэффициенты теплоотдачи конвекцией соответственно к боковой, торцевой и внутренней поверхностям рулона, Вт/(м²*К); - соответственно боковая, торцевая, внутренняя поверхности рулона и внутренняя поверхность муфеля, м², которые определяют по формуламБ.

F_б = (12.12)

F_т (12.13)

F_В = (12.14)

F_М=πD_FH_M     (12.15)<>pгде h_D и H_M —высота рулона и муфеля, м; n_D — число рулонов в стопе.

Таким образом, средние приведенные коэффициенты теплоотдачи, Вт/(м²*К), при нагреве рулона запишутся как

(12.16)

Расчет теплообмена в рабочем пространстве при охлаждении под муфелем

Приведенный коэффициент излучения от наружной боковой поверхности рулонов в окружающую среду, Вт/(м²*К₄), с учетом, что теплоотдача происходит через муфель, определяют по формуле

/ (12.17)

где —коэффициенты излучения от наружной боковой поверхности рулона на муфель и от муфеля в окружающее» пространство, Вт/(м²*К₄).

Коэффициент излучения от наружной боковой поверхности рулона на муфель рассчитывают по формуле (12.2), а от муфеля в окружающее пространство — по формуле

= . (12.18)

Коэффициент теплоотдачи излучением определяют по формуле (13.48), причем температуру окружающей среды можно принять равной 20 °С, а среднюю температуру наружной боковой поверхности рулона, °С:

(12.19)

где t^охл_Г —расчетная температура защитного газа, °С, которую в данном случае определяют по формуле

= 0,6 , (12.20)

где t^нач_extr — температура в наиболее отстающей точке рулона в начальный момент охлаждения, °С, определяемая из расчета распределения температур в рулоне.

Коэффициенты теплоотдачи конвекцией определяют аналогично тому, как это делалось при нагреве, только расчетную температуру защитного газа определяют по формуле (12.20), а величину k в выражении для коэффициента приведения (12.10)—по формуле

(12.21)

Тем самым приведенные коэффициенты теплоотдачи, определяемые по формуле (12.16), относят к температуре окружающей среды t_C.

Расчет теплообмена в рабочем пространстве при охлаждении с поливкой муфеля водой

В расчете принимают, что в процессе поливки муфеля водой его температура остается постоянной и равной температуре охлаждающейводы = 20°С.

Приведенный коэффициент излучения определяют по формуле (12.2), а среднюю температуру наружной боковой поверхности рулона— по формуле (12.19).

Коэффициенты теплоотдачи конвекцией находят так же, как при нагреве, только расчетную температуру защитного газа подсчитывают по формуле (12.20), а величину k в формуле для коэффициента приведения (12.10) — по формуле

    (12.22)

Приведенные коэффициенты теплоотдачи, определяемые по формуле (12.16), отнесены к температуре охлаждающей воды Расчет теплообмена в рабочем пространстве печи при обдувке муфеля воздухом

Приведенный коэффициент излучения, Вт/(м²*К⁴), подсчитывают по формуле

= (12.23)

где приведенный коэффициент излучения при охлаждении под муфелем без обдувки воздухом, Вт/(м²*К⁴), определимый по формуле (12.17); -коэффициент теплоотдачи конвекцией от стенки муфеля к обдувающему ее воздуху, Вт/(м²*К⁴), определяемый по формулам и графикам разд. 13.2 в зависимости от скорости воздуха в кольцевом канале между муфелем и колпаком ускоренного охлаждения; α_c коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией при охлаждении муфеля на воздухе [можно принимать α_c=7 Вт/(м²*К⁴)]; температура соответственно муфеля, наружной боковой поверхности рулона, воздуха, обдувающего муфель, и окружающей среды, °С.

Среднюю температуру наружной боковой поверхности рулона можно подсчитать по формуле (12.19), а температуру муфеля — по формуле

t_муф = 0,7 (12.24)

где — расчетная температура защитного газа, °С, определяемая по формуле (12.20).

Коэффициент теплоотдачи конвекцией определяют так же, как при охлаждении садки под муфелем без колпака ускоренного охлаждения.Обычно колпак ускоренного охлаждения устанавливают через 3 - 5 ч после окончания нагрева, так как в первые часы после снятия нагревательного колпака наружная теплоотдача от муфеля в окружающую среду за счет свободной конвекции достаточно интенсивна.

Расчет теплообмена в рабочем пространстве при охлаждении под муфелем и при наличии вынесенных холодильников защитного газа.

Приведенный коэффициент излучения и коэффициент теплоотдачи конвекцией определяют так же, как при охлаждении под муфелем, только расчетную температуру защитного газа, °С, определяют по формуле

   (12.25)

где объемная доля защитного газа, пропускаемого через холодильник:

   (12.26)

где t^охл_Г — расчетная температура защитного газа пру охлаждении в отсутствие вынесенных холодильников, °С, определяемая по формуле (12.20); температура защитного газа на выходе из холодильника, принимается равной 50 °С;

М    (12.27)

m_хол - объемная доля газа, пропускаемого через холодильник при условии t^охл_Г=50°С, задается в исходных данных, исходя из характеристики сети.

Коэффициент k в формуле для коэффициента приведения (12.10) определяют по формуле

, (12.28)

где - истинная теплоемкость защитного газа при температуре t^охл_Г , кДж/(м^З*К); V_зг — расход защитного газа при О°C и 101,3 кПа, м₃/ч:

(12.29)