Конвекція — явище перенесення тепла в рідинах, газах або сипких середовищах потоками самої речовини (неважливо, вимушено або мимоволі). Існує так звана природна конвекція, яка виникає в речовині

Конвекція — явище перенесення тепла в рідинах, газах або сипких середовищах потоками самої речовини (неважливо, вимушено або мимоволі). Існує так звана природна конвекція, яка виникає в речовині мимоволі при його нерівномірному нагріванні в полі тяжіння. При такій конвекції, нижні шари речовини нагріваються, легшають і спливають вгору, а верхні шари, навпаки, остигають, стають важчими і занурюються вниз, після чого процес повторюється знову і знову. За деяких умов процес перемішування самоорганізовуватиметься в структуру окремих вихорів і виходять більш-менш правильні грати з конвекційних осередків.

1. Основні поняття конвективного теплообміну

Конвекція, конвективний теплообмін, коефіцієнт тепловіддачі, термічний опір тепловіддачі, сутність процесів конвективного теплообміну.

Конвекцією називають процес перенесення теплоти при переміщенні макрочасток (газу або рідини). Тому конвекція можлива лише в середовищі, частинки якої можуть легко переміщатися.

Конвективним називають теплообмін, обумовлений спільною дією конвективного і молекулярного переносу теплоти. Іншими словами, конвективний теплообмін здійснюється одночасно двома способами: конвекцією та теплопровідністю.

Конвективний теплообмін між рухомим середовищем і поверхнею її розділу з іншим середовищем (твердим тілом, рідиною або газом) називають тепловіддачею.

Головним завданням теорії конвективної тепловіддачі є визначення кількості теплоти, що проходить через поверхню твердого тіла, що омивається потоком. Результуючий потік теплоти завжди спрямований у бік зменшення температури.

При практичних розрахунках тепловіддачі користуються законом Ньютона:

Q = б F (t ж-tcт) (15-1)

тобто тепловий потік Q від рідини до стінки або від стінки до рідини пропорційний поверхні F, що бере участь у теплообміні, і температурному напору (t ж - t ст, де t ст - температура поверхні стінки, а tж - температура середовища, що омиває поверхню стінки. Коефіцієнт пропорційності б, враховує конкретні умови теплообміну між рідиною і поверхнею тіла, називають коефіцієнтом тепловіддачі.

Прийнявши за формулою (15-1) F = 1м 2, а ф = 1 сек, отримаємо щільність теплового потоку в ватах на квадратний метр;

q = б (t ж-tcт) (15-2)

Величину 1 / б зворотний коефіцієнту тепловіддачі, називають термічним опором тепловіддачі.

б = q: (t ж-tcт) (15-3)

З рівності (15-3) випливає, що коефіцієнт тепловіддачі, а є щільність теплового потоку q, віднесена до різниці температур поверхні тіла і навколишнього середовища.

При температурному напорі, що дорівнює 1 ° (t ж-tcт = 1 °), коефіцієнт тепловіддачі чисельно дорівнює щільності теплового потоку б = q

Тепловіддача є досить складним процесом і коефіцієнт тепловіддачі, а залежить від багатьох факторів, основними з яких є:

а) причина виникнення течії рідини;

б) режим течії рідини (ламінарний або турбулентний);

в) фізичні властивості рідини;

г) форма і розміри тепловіддаючої поверхні.

Через виникнення руху рідини, буває вільним і вимушеним.

Вільний рух (теплове) виникає в нерівномірно прогріте»рідини. Виникаюча при цьому різниця температур призводить до різниці щільностей і Спливання менш щільних (більш легких), елементів рідини, що викликає рух. У цьому випадку вільний рух, називають природною або теплової конвекцією. Так, наприклад, теплообмін між внутрішнім і зовнішнім склом віконної рами здійснюється природною конвекцією (за умови, що відстань між стеклами достатньо для циркуляції повітря).

Природній конвекції зобов'язано багато атмосферних явищ, зокрема, утворення хмар.

Завдяки тому ж явищу рухаються тектонічні плити. Конвекція відповідальна за появу гранул на Сонці. При вимушеній конвекції переміщення речовини обумовлене дією якихось зовнішніх сил (насос, вентилятор тощо).

Конвективні печі знайомі кожному власнику заміських котеджів, дачних будинків, промислових і сільськогосподарських підприємств, в яких відсутня система опалення. Такі печі завжди є першими товаришами вже при перших ознаках настання холодів і заморозків. Розтопивши піч дровами, Ви через 20-25 хвилин отримуєте необхідну температуру і за допомогою заслінок переводите її в режим газифікації (тліюче горіння). Температура повітря, що виходить зменшується до 50 `C, а закладки вистачить на 12:00, причому паливо вигоряє в нуль.

Дані печі працюють на твердому паливі (дрова, тирса, торф). Дуже економні та ефективні. ККД до 80%. Є шість видів печей для приміщень від 100 до 1100 кубічних метрів. Можливе використання в будинках, цехах, теплицях і т. п.

Піч працює за принципом газогенератора, коли гази, що утворюються при згоранні в нижній камері, потрапляють у верхній інжектор повного згоряння газу, де «знищуються» остаточно. Саме цей процес робить печі високоефективними і виробляють коефіцієнт корисної дії до 85%

має два режими обігріву приміщення. Перший має назву «швидкий обігрів». Необхідний він для того, щоб за швидкий проміжок часу, зокрема, 15-20 хвилин печі з конвекцією змогли максимально прогріти приміщення. Далі Ви перекладаєте грубку Булерьян в режим «газифікація», який означає, що тепер у Вас в будинку буде триматися постійна стабільна температура.

Переваги:

- Потужний нагрівач повітря для швидкого опалення будь-яких приміщень

- Не залежить від електрики, нафти і газу

- Рівномірно обігріває все приміщення

- Працює на всіх видах дров'яного палива, картонажних виробах і їх відходах

- Економічний, простий в обслуговуванні

- Контрольоване горіння, високий ККД

Технічні дані Тип 05

Обсяг приміщення (м3) 1300

Потужність (кВт) 40

Габарити (см) 96х73х144

Вага (кг) 240

Обсяг топки (м3) 0,25

Діаметр димоходу (см) 18

Висота димоходу (м) 8

Проріз двері (см) 40

Послідовні конвективні системи печей

У конвективних послідовних системах печей димові гази проходять протяжний шлях до труби, долаючи велика кількість місцевих опорів у верхніх (перевалах) і нижніх (подвертках) точках, а також, значні лінійні опору.

Більшість пічників старої школи прагнули класти такі печі, у яких послідовна конвективна система мала багато обертів: від 7 до 13. При цьому, нерідко застосовувалася Двохплощинний система з декількома підйомними та опускними каналами.

Основні недоліки гатооборотних печей:

нерівномірний прогрів конвективної зони, що викликає численні тріщини в кладці печі з-за нерівномірного температурного розширення каналів;

значний опір газового тракту, що зумовлює необхідність зведення високих димових труб;

велику кількість місць, де скупчується сажа.

До послідовним відносяться системи з підйомними та опускними горизонтальними і змішаними (вертикальними і горизонтальними) димооборотамі.

За експлуатаційним і технологічним якостям такі системи - недосконалі.

Це пояснюється тим, що гарячий потік топкових газів, переміщаючись по горизонтальних каналах, нашаровується на їх верхні стінки, що веде до зниження теплопередачі від газового потоку до нижніх стінок каналів.

ККД конвективних систем з горизонтальними каналами завжди нижче ККД систем з вертикальними каналами.

Крім того, горизонтальні канали, біля нижньої поверхні яких швидкість газів мала, схильні інтенсивним заносів сажею і золою. У свою чергу, це веде до погіршення роботи печі.

При кладці печей з горизонтальними каналами, останні часто доводиться оформляти у вигляді склепінь, що технологічно складно.

Печі з горизонтальними послідовними конвективними системами були поширені лише в 19 ст. в приміщеннях невеликої висоти, в яких вертикальні системи розмістити не вдавалося.

Паралельні конвективні системи печей

Конструктивна особливість паралельних конвективних систем печей полягає в тому, що продукти горіння підводяться до конвективної зоні з одиночного піднімальному каналу і розподіляються загальним верхнім каналом за декільком паралельно функціонуючим опускним каналах газоходу печі.

У каналах топкові гази рухаються зверху вниз, досягаючи колектора, з якого відводяться в топковий трубу через останній підйомний канал.

У багатоплощинних паралельних системах підйомний канал, з якого продукти горіння підводяться до конвективної зоні, як правило, займає центральне становище.

Канали з низхідним потоком газів об'єднуються збірним горизонтальним каналом, з якого гази по каналу потрапляють в димову трубу.

Переваги паралельних конвективних систем, в порівнянні з послідовними, наступні:

при рівновеликих площах поверхонь тепловоспріятія, опір газового тракту значно менше;

· в одному і тому ж обсязі конвективної зони розміщується велика теплоакумулююча маса;

· значно меншу кількість опорів на шляху газового тракту;

· забезпечення рівномірного прогріву всієї конвективної частини печі;

· простота очищення каналів від сажі.

Переваги систем з одним підйомним і декількома опускними паралельними каналами - мимовільне регулювання тяги в конвективної частини печі.

Вирівнювання обсягів циркулюючої середовища виконується, лише за двох умов, коли продукти згоряння надходять в паралельно розташовані опускні канали з одиночного підйомного ділянки газоходу, а не навпаки: коли нижній колектор має достатню висотою.

Колектор повинен бути сконструйований так, щоб перегородки паралельних опускних каналів (розтин) не звужували його живе розтин.

Недотримання цієї умови - часта помилка, допускається при кладці печей і ведуча до нерівномірного прогріву масиву печі.

Паралельна конвективна система, характеризується перерахованими перевагами, знайшла технічне втілення в ряді конструкцій опалювальних печей.

Незважаючи на значні переваги, паралельні конвективні системи печей мають і недолік: яких важко перегрів верхньої зони, куди направляються найбільш гарячі гази з паливника.

Тому, нижня частина печі прогрівається недостатньо інтенсивно, що негативно позначається на тепловому режимі приміщення.

На рис. 2 наведені приклади конструювання паралельних конвективних систем печей:

· схема 1 сконструйована погано, тому що кожен з димооборотов відчуває різний опір газового потоку. Така система буде прогріватися лише в лівій частині;

· в схемі 2 довжина кілець різко відрізняється одна від іншої: перше кільце найбільш короткий, останнє - в 2 рази довша першого. За такої схеми, масив печі буде прогріватися нерівномірно;

· схема 3 принципово невірна, тому що паралельні канали сконструйовані висхідними. Тому принцип саморегуляції виконуватися не буде;

· схема 4 технічно грамотна. Всі циркуляційні контури аеродинамічно збалансовані, тобто піч буде працювати стійко й рівномірно прогріватися;

· схема 5 невдала в частині вибору місця підключення гирла димової труби, тому що це порушує роботу збірного колектора, який не має достатньої висоти і не забезпечує однакової довжини тракту на виході газів з системи.

Таким чином, тільки одна з п'яти схем (схема 4) сконструйована правильно.

безканальної конвективні системи печей

Принцип роботи безканальної конвективних систем печей наступний.

Гарячі гази з паливника надходять в надтопочную частина вертикальної струменем значною швидкості. Стикаючись з холодними поверхнями печі, гази остигають і опускаються вниз.

Назустріч охолодженим струмінь піднімаються гарячі гази, потік яких розширюється в міру підйому до перекриття ковпака.

Залучаючи поступово до сфери свого руху пристінні струмені, висхідні гази частково охолоджуються, опускаються між контрфорсами печі, представляють собою вертикальні стінки, які акумулюють теплоту гарячих газів.

Температура відпрацьованих у ковпаку димових газів, які направляються в трубу, невелика (близько 120 °C), що зумовлює високі теплотехнічні якості колпаковие конструкцій.

ККД безканальної конвективних систем печей 93,7%.

Однак, незважаючи на простоту конструкції і високу тепловіддачу, такі печі в сучасному будівництві застосовують рідко.

Викликано це тим, що колпаковие печі у верхній частині перегріваються, а в нижній залишаються відносно холодними; це створює великий перепад температур по висоті опалювального приміщення.

дуже нагрітим кімнатний повітря застоюється під стелею, збільшуючи тепловтрати будівлі, що, у результаті, призводить до невиправданого перевитрати палива.

Основна перевага безканальної конвективних систем печей - незначне внутрішній опір потоку газового середовища.

Тому, ковпак печей може бути сконструйований у вигляді однієї великої камери, кількох об'єднаних між собою камер або однієї камери з перегородками, збільшують теплоакумулюючу здатність конвективних поверхонь.

Однак, у всіх випадках, вхід газів в ковпак і вихід їх у димову трубу здійснюються з низу конвективної частини печі.

Це робить можливим випустити в димову трубу більш холодні гази, не побоюючись зменшення тяги.

Комбіновані конвективні системи печей

Комбіновані конвективні системи печей влаштовані так, що гарячі гази, вийшовши з паливника, спочатку опускаються вниз, обігріваючи стінки печі, розташовані на рівні паливника, потім піднімаються вгору і надходять в паралельно розташовані канали, розміщені у верхній частині печі.

Такі ковектівние системи печей називають також системами переважно нижнього обігріву.

У комбінованих конвективних системах нижнього обігріву з одним підйомним і декількома опускними каналами різної висоти, міститься верхній розподільний канал, представляє собою колектор змінного перерізу.

Димові гази надходять з підйомного каналу в колектор, перетин якого на початку - найбільше, а в кінці - найменше.

Завдяки цьому, газоповітряна суміш рівномірно розподіляється по всіх каналах опускним, що сприяє рівномірному прогріванню печі.

Якщо переріз колектора - постійне, то більшу кількість гарячих газів, які мають відчутну кінетичної енергією, надходить в останній по ходу канал, що викличе нерівномірний прогрів масиву печі.

Многоколлекторние комбіновані конвективні системи, застосовуються у печах-лежанки, складаються з паралельних каналів, згрупованих за 2... 3. Кожна група об'єднується своїм розподільних і збірних колектором.

У деяких комбінованих системах використовують також послідовну схему, при якій, димові гази спочатку омивають нижню область печі, а потім, надходять у послідовно об'єднані канали.

Список використаних джерел:

Мала гірнича енциклопедія. В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: «Донбас», 2004. — ISBN 966-7804-14-3.

Мухин В.Н., Котов Н.В. О допустимой толщине науглероженного слоя на металле печных труб нефтеперерабатывающих установок. // Эксплуатация, модернизация и ремонт оборудования. – 1983. – № 2.

Конструкционные материалы: Справочник / Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1990. – 688 с.

Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. 2-е изд. – М.: Химия, 1975. – 816 с.

Трубчатые печи в химической промышленности. - Л.:Гос НТИ нефтяной и горно-топливной литературы, 1963. - 148с

Лейбович Р.Е., Яковлева Е.И., Филатов А.Б., Учебник для техникумов. - М., Металлургия, 1982. - 360 с.

Дата добавления: 2015-09-29