Теория

Теория

 

Печные газы при температуре 1600° в 7 раз легче, чем воздух при 0°; реальное представление об этой разнице можно составить, если мысленно приравнять газы мартеновской печи к воде, тогда окружающий печь воздух придется приравнять к жидкому чугуну. Закон передвижения пламени в печах есть закон передвижения легкой жидкости в среде, заполненной тяжелой жидкостью.

Применение

 

Грум-Гржимайло систематически применял эту теорию к ряду случаев движения горячих газов в печах. Первое приложение ее он сделал к движению газов по горизонтальным ходам. Случай горизонтального потока тяжелой жидкости в легкой представляет движение воды в реках. Ее русло состоит из ограждений сбоку и снизу, сверху же имеется свободная поверхность. Передвижение в тяжелой жидкости легкой должно представлять такую же картину, только обращенную.

 

Горизонтальные ходы

 

Как глубина реки зависит от расхода воды, так и глубина газового потока, движущегося по горизонтальному ходу, есть функция от количества протекающих газов. Применение гидравлических формул переливания воды через водослив к печным газам дало возможность Грум-Гржимайло создать теорию газослива и дать расчетные формулы для определений высоты порога в печах, т. е. основного их размера, определяющего весь характер их работы.

 

Вертикальные ходы

 

В вертикальных ходах вода перемещается снизу вверх всегда полным сечением, а сверху вниз может падать свободной струей, как водопад. В печах, обратно, горячие газы всегда заполняют сечение нисходящих каналов, а по восходящим часто двигаются неполным сечением; поэтому потоку газов в вертикальных ходах надо давать нисходящее направление. И, действительно, такое направление всегда дается газу и кауперах. Попытки построить конструкции с обратным движением привели к плохим результатам.

 

Взгляды учёных

 

Взгляды, близкие к теории Грум-Гржимайло, не раз высказывались и прежде. В сущности, одним из первых, внесших полную ясность в вопрос о движении горячего газа в холодном, был М. В. Ломоносов, который в своей диссертации представил основы гидравлической теории. Известный конструктор комнатных печей профессор Лукашевич и своих расчетах дымовых и вентиляционных каналов также применял соображения, аналогичные гидравлической теории построения пламенных печей.

Первый глубоко научный труд в области металлургии и теории печей был создан М. В. Ломоносовым. В книге «Первые основания металлургии и рудных дел» (1763) было рассмотрено движение воздуха в стволах и горизонтах шахт с применением законов гидростатики. Один из основных выводов заключался в том, что движение воздуха тем интенсивнее, чем больше «жар» в трубе и чем она выше. 

Первое определение печи дал П. А. Моисеев в работе «О заводских печах» (1845): «Различные приборы, составленные из огнепостоянных материалов и служащие для обрабатывания руд и заводских продуктов действием возвышенной температуры, производимой внутри этих приборов сжиганием какого-либо горючего материала, называются вообще заводскими печами». В книге приведена так же классификация печей, по которой они делятся на три группы: шахтные, пламенные и посудные (по современной терминологии муфельные). Этот труд содержит много ценных сведений: определения отдельных элементов печей, попытки обобщения заводского опыта, сведения об организации процесса горения и использовании отходящих газов. 

Следующий шаг в обобщении накапливаемого опыта был сделан И. И. Свиязевым. В работе «Теоретические основания печного искусства в применении к устройству разных потребителей, к отоплению и вентиляции зданий» (1867) впервые использовались законы для объяснения и вскрытия протекающих в печах процессов. 
С. Б. Лукашевич в труде «Курс отопления и вентиляции, преподаваемый в строительном училище» (1878) выдвинул требования, которым должна удовлетворять проектируемая печь, актуальные и по сей день: 

1) печь должна доставлять требуемое количество тепла при возможно меньшем расходе топлива 
2) печь должна быть «гигиеничной», то есть не должна вредно влиять на чистоту воздуха 
3) печь должна как своим наружным видом, так и действием производить приятное впечатление, то есть удовлетворять условиям эстетичности. 

К началу прошлого столетия, несмотря на обилие статистического материала, отражающего результаты эксплуатации печей и печного оборудования, проектирование печей оставалось искусством и не всегда, даже специалисту с инженерным образованием, удавалось создать печь, работающую с высокими техническими показателями. Нужна была теория как ответ на запросы и требования развития печной теплотехники. Первая теория печей появилась в работе В. Е. Грум-Гржимайло «Гидравлическая теория печей» (1913).Главное внимание в ней сосредоточено на движении газа в печах. По мнению Грум-Гржимайло, основными факторами, определяющими развитие теплообмена в рабочем пространстве печи, являются вид топлива, избыток воздуха и время пребывания газов в рабочем пространстве печи. Несмотря на широкое признание, гидравлическая теория имела и свои недостатки, связанные, главным образом, с недостаточной увязкой процессов движения газов в печах с явлениями теплообмена, горения, с оценкой путей интенсификации работы печи, обеспечивающих ее форсированную работу. 

Наиболее подробное сопоставление новейших по тому времени достижений теплофизики с концепциями теории В. Е. Грум-Гржимайло было выполнено Н. Н. Доброхотовым в работе «Критика гидравлической теории печей». В своем труде Доброхотов основное внимание сосредоточил на установлении связей между теплопередачей и движением газов. В работе отмечено, что в высокотемпературных печах нужно заботиться об увеличении излучательной способности газов, а в низкотемпературных - об организации и активизации теплоотдачи к нагревательному материалу. 

Доброхотов подверг резкой критике положение гидравлической теории о том, что количество тепла, воспринимаемое нагревательной поверхностью от движущихся мимо газов, пропорционально времени пребывания газов в полости печи, то есть пропорционально величине рабочего пространства. Он показал, что этот неправильный вывод является следствием неверной аналогии между остыванием твердого тела и остыванием движущихся газов в полости печи. В самом деле, если при остывании твердого тела в холодной печи количество отданного тела будет пропорционально времени, то для случая движущегося газа картина будет иной. Количество тепла, поступившего на поверхность, будет расти при увеличении скорости газа, то есть при уменьшении времени контакта, так как рост скорости вызывает увеличение турбулентности потока, при которой один и тот же объем газа большее число раз будет вступать в контакт с поверхностью и передавать ей тепло. Последнее обстоятельство не учитывал в своих рассуждениях автор гидравлической теории. Доброхотовым были впервые сформулированы положения общей теории промышленных печей. Их прогрессивность заключалась не только в теоретических положениях, но и в том, что к расчетам были привлечены достижения технической физики. 

Использовав достижения современной науки и техники, учтя ошибки и недостатки гидравлической и энергетической теории печей, М. А. Глинков создал новую общую теорию печей, изложив ее в своей монографии «Основы общей теории печей» (1959). 
Работа М. А. Глинкова и Г. М. Глинкова «Общая теория тепловой работы печей» (1990) является развитием и дополнением этой теории с учетом достижений научно-технического прогресса. 
Определение печи в современном представлении звучит как: «Печь есть огражденное от окружающего пространства тепловое технологическое оборудование, в котором происходит генерация тепла из того или иного первичного вида энергии и передача тепла материалу, подвергаемому тепловой обработке в технологических целях (плавлению, нагреву, сушке, обжигу и т.д.). В печах протекает комплекс явлений, сопровождающих получение тепла, его преобразование и использование для осуществления технологического процесса. Совокупность этих явлений получила название тепловой работы. Печь, независимо от назначения, включает в себя следующие основные элементы: 
рабочее пространство, представляющее собой камеру той или иной конфигурации, огражденную огнеупорной футеровкой; 
устройства, обеспечивающие генерацию тепловой энергии (топки, горелки, форсунки, электронагреватели и т.д.); 
устройства для удаления продуктов сгорания (дымовые каналы, отсечные клапаны, дымовые трубы и т.д.); 
устройства для использования тепла отходящих газов (регенераторы, рекуператоры и т.д.) 

Авторы предлагают так же представлять печь состоящей из двух зон: 
зона технологического процесса (основная) и 
зона генерации тепла, предназначенная для создания определенных энергетических условий. 

Процессы, которые обеспечивают возникновение тепла называют определяющими, а процессы, от которых зависит распределение тепла -определяемыми. 
Их характер может быть различным; это могут быть как процессы переноса тепла или электроэнергии, так и процессы переноса массы, неразрывно связанные с возникновением и переносом тепла. В цепи этих взаимосвязанных процессов всегда можно обнаружить лимитирующее звено, которое и является предметом особого внимания при выборе и математическом описании модели печи. 

В работе большое внимание уделено методологии общей теории печей, целью которой является создание фундаментальных основ, системы взглядов, обосновывающих практические решения в этой области техники. Она может быть разработана только на основе схематизации, учитывающей только общие черты тепловой работы печи. Теоретическим фундаментом общей теории является физика и физическая химия. Подобно термодинамике, механики жидкости и газов и учению о тепло- и массообмене общая теория печей есть наука феноменологическая, рассматривающая явления как таковые, не касаясь, как правило механизмов тех или иных процессов. Практическое значение общей теории печей может быть сформулировано следующим образом: 
является основой для анализа тепловой работы печей; 
позволяет совершенствовать конструкции и тепловую работу печей; 
создает предпосылки для математического моделирования печей и протекающих в них процессов; 
дает возможности прогнозировать тенденции развития конструкции печей, в том числе для новых технологических процессов; 
служит основой для разработки принципов управления печами. 

Принципам построения математической модели и оптимизации в книге так же уделено пристальное внимание. Выделены этапы моделирования, представлена классификация моделей по назначению, свойствам во времени и способу получения.

Основы конструирования печей

Теория