Электротермические процессы и установки. Учебное пособие по теоретическому курсу. Учебное пособие по теоретическому курсу Под ред. В. Н. Тимофеева, Е. А. Головенко, Е. В
 Скачать 7.73 Mb.
|
1.2.1 Теплопередача Тепловым потоком называется поток внутренней энергии, самопроизвольно возникающий в вещественной среде с неоднородным температурным полем. Тепловой поток обозначается символом Q и направлен из области с более высокой температурой в область с низкой температурой. При необходимости создания высокотемпературного рабочего пространства эта область пространства окружается тепловой защитой, имеющей высокое тепловое сопротивление. Наиболее часто эту тепловую защиту называют теплоизоляцией или футеровкой. Различают три процесса переноса тепловой энергии (теплоты): 1) теплопроводность (кондукция) - процесс распространения энергии только вследствие взаимодействия структурных частиц вещества (молекул, ионов, атомов, свободных электронов). В идеализированном виде теплопроводность может наблюдаться в твердых телах и неподвижных объемах жидкости и газа; 2) конвекция - процесс переноса тепловой энергии вследствие перемещения масс вещества в неоднородном поле температур; конвекция всегда сопровождается теплообменом между веществом и контактирующей с ним средой; конвекция наблюдается в движущихся квазисплошных средах (газах, жидкостях, плазме и смесях этих веществ с сыпучими материалами); 3) излучение (радиация) - процесс переноса энергии электромагнитными волнами, создаваемыми вследствие теплового движения в веществе, и передаваемой через прозрачную или частично прозрачную среду в область с более низкой температурой. Теоретическое разделение процессов теплообмена на три носит условный характер, так как в реальных физических явлениях наблюдается совместное протекание перечисленных процессов переноса тепловой энергии. Процессы конвективного переноса теплоты всегда связаны с теплопроводностью внутри перемещающихся потоков вещества. Радиационный теплообмен может сочетаться как с теплопроводностью, так и с конвекцией. Если необходимо рассматривать действие одновременно двух или трех процессов переноса теплоты, то такие задачи называют сложным теплообменом. При первичном анализе реально протекающего физического процесса выявляют определяющие процессы переноса и после этого проводят физико-математическое описание процессов. 35 Для формализации качественных и количественных соотношений в системе тел, связанных теплопередачей, вводят следующие определения и понятия. Теплообменом называют самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве, обусловленный неоднородным температурным полем; основной характеристикой теплопередачи является тепловой поток. Теплоотдачей называется процесс теплообмена от одной среды к другой, если они разделены отчетливой границей (теплоотдача от поверхности твердого тела к воздушной (газовой) среде или от поверхности жидкости к газовой среде и т.д.). Теплопередача - процесс передачи тепла от горячей среды к холодной через разделяющую их стенку. Температурное поле - это совокупность мгновенных значений температуры во всех точках изучаемого пространства в данный момент времени. Температура - фундаментальная физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. С молекулярно-кинетической точки зрения температура равновесной системы характеризует интенсивность теплового движения атомов, молекул и других частиц, образующихся систему. Например, для системы, описываемой законами классической статистической физики, средняя кинетическая энергия теплового движения частиц прямо пропорциональна термодинамической температуре системы. Строго говоря, температура характеризует лишь термодинамически равновесное состояние. Однако понятием температуры часто пользуются при рассмотрении неравновесных систем. Единица измерения температуры предполагает построение шкалы температур на основе воспроизведения ряда равновесных состояний - основных реперных (постоянных) точек, которым приписаны определенные значения температур, и создания интерполяционных приборов, реализующих шкалу между этими точками. Термодинамическую температуру обозначают символом T. Ее единица измерения - Кельвин (символ К) определена как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Термодинамическую температуру выражают также через температуру Цельсия (символ t), которая определена соотношением t = T - 273,15. Единица температуры Цельсия - градус Цельсия (символ °С). Количественно цена делений шкал - градус Цельсия и Кельвина равны. Стационарным режимом называется тепловой режим, при котором температурное поле не изменяется во времени. 36 Нестационарным режимом называется такое тепловое состояние, при котором температурное поле изменяется во времени. Плотность теплового потока обозначается символом q и определяет удельный тепловой поток, проходящий через единицу площади поверхности теплообмена, Вт/м 2 Мощность внутренних источников теплоты обозначается символом q V с единицей измерения в Вт/м 3 и представляет собой количество теплоты, выделяемое внутренними источниками в единице объема среды в единицу времени. Среда в общем случае может быть твердой, жидкой или газообразной. Коэффициент теплопроводности - величина, численно равная плотности теплового потока, проходящего через изотермическую поверхность теплообмена при температурном градиенте, равном единице: λ = q/grad Т [Вт/(м ⋅К)]. Коэффициент теплопроводности (в последнее время принято название - теплопроводность) определяется уравнением Фурье q = - λ ⋅ grad Т, где q - плотность теплового потока, Вт/м 2 ; λ - теплопроводность, Вт/(м⋅К); grad Т - градиент температуры, К/м. Уравнение Фурье справедливо для небольших значений градиента температуры (когда отклонение системы от равновесного состояния мало) и в случае достаточно плотной среды, когда средняя длина свободного пробега частиц, участвующих в теплопереносе, мала по сравнению с геометрическими размерами системы. Теплопроводность λ зависит от агрегатного состояния вещества, его состава, чистоты, температуры, давления и других характеристик. Так для большинства веществ теплопроводность жидкой фазы в 10 раз больше, чем теплопроводность газообразной фазы, а для твердого тела она значительно выше, чем для жидкости около точки плавления (за исключением жидких висмута, олова и теллура). На практике часто встречаются случаи, когда теплопроводность внутри тела и вблизи его границы различна. Это различие обусловлено как изменением условий протекания процессов теплопереноса, так и различием структуры и состава вещества внутри тела и в поверхностных слоях (в результате термообработки, наклепа и т.д.). Такое неоднозначное поведение удельной характеристики вещества - теплопроводности, приводит к необходимости использования в математических уравнениях среднего коэффициента теплопроводности 37 ( ) ∫ − ⋅ λ = λ 2 1 1 2 t t t t / dt , где t 1 и t 2 - характерные температуры в конкретной задаче, °С. Следует иметь в виду, что на теплопроводность могут оказывать существенное влияние внешние факторы, например облучение, изменение магнитного поля, давления или плотности. В полупрозрачных средах теплопроводность сопровождается радиационным переносом. Наблюдаемая экспериментально эффективная теплопроводность таких сред есть сумма собственно теплопроводности и радиационного теплопереноса. Вклад радиационной составляющей сложного теплопереноса увеличивается с повышением температуры и становится существенным при температурах, соответствующих нескольким сотням градусов Цельсия. Погрешность приводимых в литературе справочных величин по теплопроводности меняется в зависимости от состояния вещества, области температур (как правило, погрешность увеличивается при низких и высоких температурах) и давлений (увеличивается с повышением давлений). В основном погрешность значений коэффициентов теплопроводности составляет 10 - 20%. Для ряда веществ, изученных наилучшим образом, погрешность справочных данных лежит в пределах 1 - 2%. Поэтому особенно важно при использовании справочных данных обращать внимание на условия, при которых получены эти характеристики. При решении большинства технических задач зависимости коэффициента теплопроводности от температуры можно приблизительно выразить линейной функцией вида ( ) ( ) t b t ⋅ + λ = λ 1 0 , где λ 0 - коэффициент теплопроводности при температуре 0 °С; b - постоянная величина, зависящая от природы материала, определяемая опытным путем, имеет размерность К -1 и приводится в справочной литературе. Среднеинтегральный коэффициент теплопроводности, в соответствии с выражением (1.1) может определяться по формуле ( ) [ ] 2 1 0 5 0 1 t t b , + ⋅ + λ = λ Коэффициент температуропроводности обозначается символом a и имеет размерность м 2 /с - это величина, числено равная отношению 38 коэффициента теплопроводности λ к произведению удельной теплоемкости с, Дж/(кг ⋅К), и плотности среды ρ, кг/м 3 ( ) ρ ⋅ λ = α c / Коэффициент температуропроводности характеризует теплоинерционные свойства среды, т. е. определяет временную удельную скорость изменения температуры в конкретном материале. Практически любые расчеты тепловых условий работы электротехнического и теплотехнического оборудования не обходятся без рассмотрения процессов теплопроводности. Понятие теплопроводности является определяющим при вычислении предельных токовых нагрузок проводников как неизолированных, так и с электроизоляцией, проводов электропередачи и контактной сети транспортных устройств. Кроме этих широко распространенных случаев электротехнических устройств, понятие теплопроводности является определяющим при расчетах радиаторов охлаждения силовых полупроводниковых приборов, тепловых полей статора и ротора электромеханических преобразователей (электрических машин) и т.д. В электротехнологических установках, выполняющих функции преобразования электрической энергии в тепловую с последующим использованием тепловой энергии для осуществления широкого класса технологических процессов, тепловые расчеты конструкции и рабочего пространства являются центральными и основными как для обеспечения надежности работы электротехнической части оборудования, так и для гарантированного поддержания рабочих технологических температур. Поэтому тепловые задачи в такого типа установках являются столь же определяющими работоспособность оборудования, как и расчеты электротехнические, обеспечивающие создание систем ввода электрической энергии в рабочее пространство электротехнологических установок. 1.2.2 Материалы для электротермических установок В электротермических установках применяются материалы, способные работать при высоких температурах. К ним относятся огнеупорные и теплоизоляционные материалы, назначение которых состоит в том, чтобы отделить рабочее пространство от окружающей среды и уменьшить тепловые потери. Применяются также жароупорные материалы, способные выдерживать механические нагрузки при высоких температурах, и материалы, из которых изготовляются нагревательные элементы. 39 1.2.2.1 Огнеупорные материалы Из огнеупорных материалов изготовляют внутренние части стен и детали рабочих камер печей. Обозначения в марках огнеупорных изделий. Марки формованных изделий начинаются с обозначения группы мате- риала, марки остальных изделий с букв: П - порошки, С - смеси, З - заполни- тели, М - массы, М - мертели. В марках изделий материалы соответственно группам обозначаются буквами: Д - динасовый, Ш - шамотный, ШК - шамотно-каолиновый, ШП - шпинельный, В - высокоглиноземистый, МКР - муллитово-кремнеземистый, МЛ - муллитовый, МК - муллитово-корундовый, К - корундовый, М - магнезитовый, В конце может стоять обозначение валификационной группы по пористости (табл. 1.4), технологии изготовления, тонкости помола. По технологии изготовления По тонкости помола С, Сп – спеченный П, Пл – плавленый Л - литой К – крупный С - Т - тонкий средний Кроме того, могут быть приведены дополнительные обозначения: Б - бетон, Г - глина, И - для индукционных печей, В - для вакуумных печей, Ф - фосфатная связка, Н - набивная масса, А - алюмосиликатная смесь, Т - тигель, К - картон, В - вата, Б - бумага, П - перлитовый, ПШ - периклазошпинельный, ПХ - периклазохромитовый, ХМ - хромомагнезитовый, Ц - цирконистый, БК - баделлентокорундовый, К - карбидкремниевый, Т - тальковый, ПИ - периклазоизвестковый, К - кордеиритовый, И - иттриевый 40 П - плиты, М - маты. Таблица 1.4 Группы формованных огнеупоров по пористости Группа Сокращенное обозначение группы Пористость, % открытая общая Особоплотные - До3 - Высокоплотные ВП Свыше 3 до 10 - Повышенноплотные п Свыше 10 до 16 - Уплотненные У Свыше 16 до 20 - Среднеплотные с Свыше 20 до 30 - Низкоплотные л Свыше 30 Менее 45 Высокопористые л - От 45 до 75 Ультрапористые л - Свыше 75 Примечание: огнеупоры с общей пористостью менее 45 % принято объединять под общим названием плотные, от 45 % и выше – легковесные. На рис. 1.29 приведены условные обозначения огнеупорных и теплоизоляционных материалов. К огнеупорным материалам предъявляются требования, описанные в 1.2.2.1.1-.1.2.2.7. 12.2.1.1 Достаточная огнеупорность Огнеупорность - способность материала противостоять действию высоких температур, не расплавляясь. Огнеупорность материалов определяется путем измерения температуры «падения» образца материала при определенных условиях нагревания. Образец материала в виде трехгранной усеченной пирамиды с определенными размерами помещают в печь с окислительной или нейтральной атмосферой и нагревают по определенному режиму. Температура, соответствующая моменту, когда вершина конуса склоняется к основанию, принимается за огнеупорность. Огнеупорность несколько ниже температуры плавления. Изделия делят на огнеупорные (1580 — 1770°С), высокоогнеупорные (1770 — 2000°С) и высшей огнеупорности (выше 2000°С). Материалы с огнеупорностью ниже 1580°С считаются неогнеупорными. 41 Обычно огнеупоры применяются при температуре, которая значительно ниже их огнеупорности (температура применения огнеупорных материалов приведена в табл. 1.5). Рис. 1.29. Условные обозначения огнеупорных и теплоизоляционных материалов Теплоизоляционные материалы (кроме легковесных огнеупоров и керамических волокон) имеют огнеупорность ниже 1580°С. Таблица 1.5 Характеристики огнеупорных изделий Наименовани е огнеупора Средняя плотность, кг/м 3 Огнеупорность , °С Допускаемая температура применения, °С Алюмосиликатные 42 Шамотный кирпич 1800 -1900 1670-1730 1350-1450 Полукислый огнеупорный кирпич 1850 -1950 1610-1710 1350-1450 Наименование огнеупора Средняя плотность, кг/м 3 Огнеупорность , °С Допускаемая температура Силлиманитовые и мулли- товые изделия 2200 - 2400 1780-1850 1650 Изделия из плавленого муллита 2200 - 2400 1800-1850 1750 Глиноземистые Корундовые (алундовые) изделия 2600 - 2900 1800 - 2000 1600-1700 Изделия из рекристаллизо- ванного корунда 2750 - 3850 2000 1900 Кремнеземистые Динасовый кирпич 1900 -1950 1700-1720 1700 Магнезиальные Магнезитовый кирпич 2600 - 2800 2000 1650-1700 Плавленый магнезитовый кирпич 2700-2800 2800 1850 Хромомагнезитовый кир- пич 2800 - 2900 2000 1700 Термостойкий хромомаг- незитовый кирпич 2750-2850 2300 1750 Магнеэитошпинелидные Хромитовый кирпич 3000 - 3200 1850 -1900 1650-1700 Карбидкремниевые Карборундовые изделия (карбофракс) 2300 - 2600 2000 - 2200 1400-1500 Цирконистые Циркониевые изделия 3300 2600 2000 Цирконовые изделия 3200 - 3300 2000 1900 Прочие Строительный (красный) 1400 -1600 1300 300 - 400 кирпич Угольные изделия 1500 -1600 3000 2000 Графитовые изделия 1600 3000 2000 Окись бериллия — 2600 2000 43 Таблица 1.6 Наименование огнеупора Удельная теплоемкость 10 3 Дж/(кг-°С) Коэффициент теплопроводности Вт/(м-°С) Термос- тойкость Алюмосиликатные Шамотный кирпич 0,879+ 0,23-10 3 t ср 0,837+ 0,582-10 3 t ср Удовлетвори тельная Полукислый огне- упорный кирпич 0,879 +0,23-10- 3 t ср 0,872 + 0,532 -10- 3 t ср Недостаточная Силлиманитовые и муллитовые изделия 0,837 +0,251-10- 3 t ср 1,686−0,233-10- 3 t ср Удовлетвори тельная Изделия из плав- леного муллита 1,047 +0,251-10 3 t ср _____ Хорошая Глиноземистые Корундовые (алундовые) изделия 0,795 +0,419-10- 3 t ср 2,09 +1,861-10- 3 t ср Удовлетвори тельная Изделия из рекри- сталлизованного корунда _____ 29,1 (100° С) 5,82(1000°С) Недостаточная Кремнеземистые Динасовый кирпич 0,837 + 0,251 -Ю- 3 t ср 0,930 + 0,698 -10- 3 t ср Недостаточная Магнезиальные Магнезитовый кирпич 1,047 +0,293-10 -3 t ср 4,65−1,745-10 -3 t ср Недостаточная Плавленый магнезитовый кирпич _____ _____ Удовлетвори тельная Хромомагнезито- вый кирпич _____ 1,861−2,09(0 −700° С) Недостаточная Термостойкий хромомагнезито- вый кирпич _____ 4,07-1,105-10- 3 t ср Хорошая 44 Магнеэитошпинелидные Хромитовый кирпич 0,837 +0,293-10- 3 t ср 1,279 + 0,407-10 3 t С р Удовлетвори тельная Наименование огнеупора Удельная теплоемкость 3 Коэффициент теплопроводности Термос- тойкость Карбидкремниевые Карборундовые изделия (карбофракс) 0,963 +0,147-10- 3 { ср 2,09−10,47-10- 3 1 С р Удовлетвори тельная Цирконистые Циркониевые изделия 0,544 +0,126-10 3 1 ср 1,303 + 0,640 -10 3 1 С р Удовлетвори тельная Цирконовые изделия 0,628 +0,126-10 3 1 ср Хорошая Прочие Строительный (красный) кирпич 0,92 0,814 + 0,465-Ю 3 1 С р Недостаточная Угольные изделия 0,837 23,3 + 34,9 -Ю- 3 1 С р Хорошая Графитовые изделия 1,256 162,7−40,7-10- 3 1 С р Хорошая Окись бериллия 1,256 +0,523-10- 3 1 ср 1,861−3,72(20° С) Хорошая Окись тория 0,251(25°C) Очень низкий Недостаточная |