ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К курсовому проекту
Методология выбора материалов и технологий в машиностроении
Теплообмен в топливных и электрических печах
Топливные печи. Дымовые газы, заполняющие рабочее пространство топливной печи, передают тепло лучеиспусканием и конвекцией нагреваемым изделиям и стенкам печи. Последние излучают тепло на изделия. Все эти процессы учитываются при определении коэффициента теплоотдачи.
Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием рассчитывается по формуле
,
где 
степень черноты поверхности изделия;
коэффициент, учитывающий взаимные процессы лучеиспускания дымовых газов, изделий и стенок печи. Коэффициент 
выражается следующей формулой
,
где 
степень развития кладки, ее численное значение приблизительно равно отношению суммарной внутренней поверхности стенок и свода печи 
к воспринимающей тепловое излучение поверхности металла 
,
степень черноты дымовых газов;
температура дымовых газов в рабочем пространстве печи, К;
средняя температура нагреваемого металла, К, определяемая следующим образом
где 
начальная температура металла, К;
конечная температура металла, К.
Степень черноты дымовых газов зависит от их состава. В состав печных дымовых газов входят азот (N2), углекислый газ (СО2) и водяной пар (Н2О). Одно- и двухатомные газы имеют ничтожно малую интенсивность теплового излучения. Поэтому степень черноты дымовых газов определяется из выражения
,
где 
степень черноты углекислого газа;
условная степень черноты водяного пара;
поправочный коэффициент на парциальное давление водяного пара.
Степень черноты газа зависит от его температуры, парциального давления р и средней эффективной длины лучей в рассматриваемом газовом объеме 
. Величина р (Н/см2) численно равна объемной доле газа в составе продуктов горения. Величину приближенно можно определить так
,
где 
объем, заполненный излучающим газом, м3;
площадь всех стенок, ограничивающих этот объем, м2.
Коэффициент теплоотдачи конвекцией при турбулентном движении воздуха или продуктов сгорания в каналах можно определить с помощью следующей приближенной формулы
,
где 
приведенная (0 ˚С; 1,013 
Па) скорость движения газов;
эквивалентный диаметр канала, м.
Учитывая сложность теплового процесса на поверхности нагреваемого изделия, коэффициент теплоотдачи считают сложной величиной, которая равна сумме коэффициентов теплоотдачи лучеиспусканием 
и конвекцией 
.
Величина перепада температуры по толщине изделия зависит от отношения термического сопротивления изделия к термическому сопротивлению передачи тепла к его поверхности. Чем больше указанное отношение, тем больше перепад температуры по толщине изделия. В теории теплообмена отношение внутреннего термического сопротивления изделия к внешнему термическому сопротивлению на его поверхности определяется критерием Био (
)
,
где 
внутреннее термическое сопротивление изделия;
внешнее термическое сопротивление;
коэффициент теплоотдачи;
коэффициент теплопроводности металла;
характерный геометрический размер изделия: для пластины половина ее толщины при двустороннем нагреве и полная толщина в случае одностороннего нагрева.
За условную границу между тонкими и массивными изделиями можно принять такое значение критерия , при котором погрешность определения времени нагрева изделия без учета перепада температуры в сечение изделия не будет превышать 5 % от действительной продолжительности нагрева.
В соответствии с этим условием изделия можно считать тонкими в тепловом отношении, если 
.
Электрические печи. В электрических печах без искусственной циркуляции воздуха основным видом теплообмена, определяющим нагрев изделий, является теплообмен лучеиспусканием. Конвективный теплообмен в результате свободного движения воздуха около поверхности нагреваемого изделия имеет небольшую интенсивность. Поэтому коэффициент теплоотдачи определяется формулой теплообмена лучеиспусканием, в которой конвективный теплообмен учитывается поправочным коэффициентом:
(20)
где εп - приведенная степень черноты изделий и внутренней поверхности рабочей камеры печи;
Т1 - температура печи, °К;
T2ср - средняя температура изделий, °К; определяется по формуле (8);
εк - поправочный коэффициент, учитывающий конвективный теплообмен, (εк ≈ 1,05…1,1).
Приведенная степень черноты εп определяется следующим образом:
где ε1- степень черноты внутренней поверхности рабочей камеры печи;
ε2- степень черноты изделий;
F1 - величина внутренней поверхности рабочей камеры печи, излучающей тепло на изделия, м2;
F2 – площадь поверхности изделий, воспринимающая тепловое излучение, м2.
В частном случае, если поверхность изделий, воспринимающая тепловое излучение, много меньше внутренней поверхности рабочей камеры печи (F1 << F2), то на основании выражения (21)
εп = ε2
В электрических печах с искусственной циркуляцией воздуха (в конвекционных печах) при определении коэффициента теплоотдачи на поверхности изделия необходимо учитывать и теплообмен лучеиспусканием, и конвективный теплообмен, т. е.
α=αл +αк
Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием определяется по формуле, аналогичной уравнению (20):
(22)
Для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией можно применять формулу (11) или (12).
В частном случае, при нагреве длинномерных изделий (профилей, труб, прутков, листов и т. д.) из алюминиевых сплавов в низкотемпературных конвекционных печах до температуры печи t2k ≈ t1 величина коэффициента теплоотдачи лучеиспусканием невелика из-за малой степени черноты изделий (таб. 4).