CC BY
99
УДК 621.365.4
ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВАКУУМНЫХ ПЕЧАХ С ЭКРАННОЙ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
С.Г. Мельников
Ивановский государственный химико-технологический университет
В статье представлены теоретические основы лучистого теплообмена. Описано применение законов теплового излучения для расчета установившегося теплового потока в высокотемпературных вакуумных печах с экранной тепловой изоляцией.
Ключевые слова: лучистый теплообмен, теплопередача излучением, высокотемпературная вакуумная печь, экранная тепловая изоляция.
Высокотемпературные вакуумные печи получили значительное распространение, прежде всего с возникновением и развитием таких отраслей промышленности, как атомная, ракетная, электронная, авиастроение, судостроение, машиностроение и т.д. Ужесточение технических требований к надежности и долговечности оборудования и конструкционным материалам привело к созданию технологических процессов, использующих нагрев до высоких температур (до 3000оС) и вакуум. К таким процессам относятся дегазационный и рекристаллизационный отжиг, плавка, спекание, пайка, сварка, нагрев металлов под обработку давлением, химико-термическая обработка, закалка, производство керамики и стекла, вакуумная сушка материалов, нанесение покрытий и многие другие [1].
Наиболее широкое распространение получили вакуумные электропечи сопротивления, позволяющие получать рабочие
о
температуры до 2500 С при остаточном давлении до 10-7 Па (10-9 мм рт. ст.). Объем рабочего пространства этих печей достигает десятков и сотен кубических метров.
Теплоизоляция в вакуумных печах может представлять собой компактную или экранную структуры. Также встречаются смешанные структуры. В компактной теплоизоляции тепло передается теплопроводностью и излучением в порах, а в экранной излучением и переизлучением [2].
Экранная теплоизоляция с применением тугоплавких металлов считается менее эффективной относительно тепловых потерь по сравнению с компактной изоляцией, но по-прежнему предпочтительна там, где необходимо быстрое охлаждение печи, высокая температура процесса и где не допускается применение другого типа изоляции по тем или иным причинам.
В высокотемпературных вакуумных печах с экранной теплоизоляцией передача тепла осуществляется лучистым теплообменом. Конвективный теплообмен отсутствует в связи с отсутствием среды. При их тепловом расчете важно знать и уметь применять законы теплового излучения согласно их конструкции. Анализ конструктивного оформления существующих экранных теплоизоляций позволит учесть их положительные и отрицательные стороны и сконструировать компактную высокоэффективную печь.
Конструктивный принцип вакуумной печи с экранной теплоизоляцией
В высокотемпературных вакуумных печах сопротивления вакуум выполняет следующие функции:
- создание защитной среды, для безокислительного нагрева;
-обеспечение тепловой изоляции, исключая или уменьшая конвективный теплообмен;
- в качестве технологической среды для обезгаживания изделий, рафинирова-
ния углеродных материалов, для предварительной вакуумной термической обработки [2].
Вакуумные печи сопротивления классифицируются по различным критериям. В зависимости от уровня давления остаточных газов в нагревательной камере их подразделяют на низковакуумные, работающие при давлении до 10 Па, средне-вакуумные 10—10-1 Па, высоковакуумные 10-2—10-4 Па.
Классической классификацией вакуумных электрических печей принято считать разделение их по температуре. В работе [2] предлагается следующее разделение вакуумных печей по рабочей температуре в зависимости от технологических процессов, для которых они предназначены:
- низкотемпературные печи до
1150°С (термообработка и спекание сталей,
^
некоторых сплавов на основе никеля, меди, серебра, золота.);
- среднетемпературные печи 1200— 1600оС (при температурах 1200-1600оС осуществляются термообработка и спекание высоколегированных сплавов на базе никеля, хрома, титана и титановых сплавов, некоторых сплавов молибдена, ниобия, а также пайка высокотемпературными припоями и дегазация деталей из тугоплавких металлов);
- высокотемпературные печи 1600 -2200оС (термообработка и спекание молибдена, вольфрама, тантала, рения, а также карбидов, нитридов, оксидов, бори-дов).
Вакуумная печь состоит из рабочей (нагревательной) камеры, системы откачки воздуха из камеры, стойки управления и системы подготовки воды для водоохлаж-дения камеры печи.
1-корпус; 2- крышка;
3-вакуумный штуцер;
4- защитные экраны;
5- нагреватели; 6 -садка; 7 -токоподвод.
Рис. 1. Конструкция нагревательной камеры вакуумной печи сопротивления с экранной изоляцией
Конструкция нагревательной камеры печи, которая характерна для большинства типов печей, показана на рис. 1. Корпус камеры 1 представляет собой цилиндрическую обечайку с водяной ру-
башкой для охлаждения стенки и отвода теплоты. Крышки камеры 2 могут иметь различные формы и должны быть также водоохлаждаемыми. Для подключения системы для откачки воздуха из камеры в
корпусе предусмотрен штуцер 3. Нагреватели 5, выполненные обычно или в виде стержней или в виде пластин, находятся внутри экранной теплозащиты. Обрабатываемый материал 6, называемый садкой, расположен внутри нагревателей на специальном столе. Экранная теплоизоляция представляет собой защитные экраны 4, окружающие нагреватели с садкой сбоку, сверху и снизу. Между экранами выдерживается определенное расстояние (2-6мм) для предотвращения их соприкосновения. Ток к нагревателям подводится через водоохлаждаемые то-коподводы 7.
Защитные тепловые экраны выполняются из тугоплавких металлов (молибден, вольфрам) в виде тонких листов, закрепленных на несущем корпусе шпильками. Толщина экрана составляет обычно 0,1-0,4 мм. Как правило, последний экран используют как несущий и, в связи с уже незначительными температурами на нем, выполняют из нержавеющей стали толщиной до 4 мм. Внутренние поверхности экранов и корпуса должны быть отполированы и иметь низкую шероховатость. Нагреватели вакуумных печей также выполняются из тугоплавких материалов [1, 3].
Лучистый теплообмен
Лучистый теплообмен можно рассматривать как с позиции электромагнитной, так и с позиции квантовой теории излучения. По квантовой теории энергия излучения переносится фотонами. Согласно электромагнитной теории, тепловое излучение представляет собой распространение внутренней энергии излучающего тела, связанной с колебанием атомов и молекул, с помощью электромагнитных волн. При поглощении электромагнитных волн какими-либо другими телами они вновь превращаются в тепловую энергию. Таким образом, излучение имеет двойственный характер, поскольку оно обладает свойствами непрерывности поля электромагнитных волн и свойствами дискретности, типичными для фото-
нов. Синтезом обоих свойств является представление, согласно которому энергия и импульсы сосредоточиваются в фотонах, а вероятность нахождения их в том или ином месте пространства - в волнах [4].
Лучистый теплообмен между двумя телами можно разделить на три этапа:
- превращение внутренней тепловой энергии первого тела в энергию электромагнитного излучения;
- затем лучистая энергия переносится с поверхности первого тела электромагнитными волнами в пространстве к поверхностивторого тела;
- после переноса энергии электромагнитными волнами, снова происходит переход лучистой энергии во внутреннюю энергию второго тела.
Электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью света, равной с=3 108 м/с. Излучение характеризуется длиной волны X или частотой колебаний у=сД. Все виды электромагнитного излучения имеют одинаковую природу и различаются лишь длиной волны. Тепловое излучение охватывает область волн от 0,3 до 50 мкм. Эта область включает в себя ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение [5].
Большинство твердых тел имеют непрерывный спектр излучения, т.е. излучают энергию всех длин волн. Излучение различных тел различно. Оно зависит от природы тела, его температуры, состояния поверхности. С увеличением температуры излучение увеличивается, так как увеличивается внутренняя энергия тела. Зависимость излучения от температуры значительно больше, чем для процессов теплопроводности и конвекции. Поэтому при низких температурах преобладающую роль может играть теплообмен за счет конвекции и теплопроводности, а при высоких основным видом переноса тепла может быть тепловое излучение.
При попадании лучистой энергии Qпад на какое-либо тело поглощается лишь часть Qпогл этой энергии, другая ее часть Qотp отражается, а некоторая часть Qпp0п проходит сквозь тело (рис. 2). Тела, поглощающие всю падающую на них лучистую энергию, называются абсолютно черными. Тела, полностью отражающие падающую на них лучистую энергию, называются абсолютно белыми, а тела, пропускающие всю падающую на них энергию, - абсолютно прозрачными. Абсолютно черные, белые и прозрачные тела представляют собой идеальные модели и в природе не существуют.
Часть падающей энергии излучения, поглощенной данным телом, называется поглощенным излучением. Поглощенная энергия равна:
Здесь А - коэффициент поглощения, определяющейся как отношение поглощаемой телом лучистой энергии к общему ее количеству, падающему на тело.
Для абсолютно черных тел А = 1.
Тела, для которых коэффициент А=0^1 называются серыми телами. Ими являются реальные тела в природе, так как они поглощают не всю падающую на них лучистую энергию. Часть падающей энергии будет отражаться или пропускаться через объем этих тел. Отраженная энергия излучения:
<?□тр = я ■ <3^(2).
где R - коэффициент отражения. Если R = 1 и процессы отражения от поверхности подчиняются законам геометрической оптики, то поверхность тела называют зеркальной; при диффузном отражении поверхность называют абсолютно белой. Часть падающей энергии излучения, проходящая сквозь тело, называется пропускательным излучением:
^п,™ = о - (г^ (з)
где D - коэффициент проницаемости.
Тела, у которых Б=1, называются проницаемыми, прозрачными или диа-термичными телами (тонкие слои сухого воздуха, одноатомных газов, вакуум).
Для всех случаев лучистого теплообмена соблюдается следующее правило. А + Я + Б = 1.
Поглощение и отражение лучистой энергии твердыми телами в значительной степени зависит от состояния их поверхности: гладкие и полированные поверхности обладают высокой отражательной способностью; шероховатые поверхности, наоборот, обладают высокой погло-щательной способностью [4].
Тело излучает энергию при данной температуре в виде спектра. Энергия излучения в единицу времени, относящаяся к узкому интервалу изменений длин волн от X до X + ¿X,
называется потоком монохроматического, спектрального или однородного излучения (QX). Суммарное излучение с поверхности тела по всем длинам волн спектра называется интегральным или полным лучистым потоком
Интегральный лучистый поток, испускаемый с единицы поверхности тела, называется плотностью интегрального излучения Вт/м2:
где dQ - лучистый поток, испускаемый с элемента поверхности dF.
При одинаковой плотности потока интегрального излучения для всех элементов поверхности излучающего тела лучистый поток можно выразить как: (2 = Е-Р(&. Здесь F - полная поверхность тела,
м2.
Рис. 2. Лучистый теплообмен для полупрозрачного тела
Плотность потока излучения может изменяться по определенным направлениям излучения, но так как в дальнейшем мы будем рассматривать излучение с одинаковой интенсивностью по всем направлениям, мы опустим этот вопрос, который подробно описан в [4], [5], [6]. Излучение, характеризующееся интенсивностью, одинаковой по всем направлениям, называется изотропным. Если излучение исходит с поверхности твердого тела, оно называется идеально диффузным излучением.
Сумма собственного излучения и отраженного излучения, испускаемого поверхностью данного тела, называется эффективным излучением. Энергия эффективного излучения выражается зависимостью :
Результирующее излучение представляет собой разность между лучистым потоком, получаемым данным телом, и лучистым потоком, который оно посылает в окружающее его пространство:
Закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость количества энергии интегрального полусферического излучения от температуры. Согласно этому за-
кону количество тепла Q, излучаемого в единицу времени, пропорционально поверхности излучающего тела F и четвертой степени его абсолютной температуры Т. Для технических расчетов этот закон можно записать в следующем виде:
(¡> = £ ■ С5
'■(—У
Л00>
где Сц = 5,67 Вт/м2К - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела [4], а величина 8, называемая степенью черноты тела, представляет собой отношение коэффициента лучеиспускания данного тела по отношению к коэффициенту лучеиспускания абсолютно черного тела. Степень черноты серого тела £ зависит от природы тела, температуры, состояния поверхности, и в большинстве случаев определяется экспериментальным путем.
Закон Кирхгофа устанавливает связь между лучеиспускательной и по-глощательной способностью тела. Согласно этому закону, поглощательная способность и степень черноты равны между собой.£ = А,
Из закона Кирхгофа следует, что лучеиспускательная способность тела тем выше, чем больше его поглощательная способность. Этим и объясняется наивысшая лучеиспускательная способность абсолютно черного тела, так как для него А= 1, а следовательно и 8 = 1.
Количество тепла, отданного телом с абсолютной температурой Т1 окружающим его более холодным телам с абсолютной температурой Тг, составляет:
М* /
оо^ \iooJ
№
где 8пр - приведенная степень черноты системы, F - условная расчетная поверхность теплообмена.
Теплообмен излучением в вакуумной печи с экранной теплоизоляцией
Для расчета необходимой мощности электропечи требуется выполнить тепловой расчет, при этом необходимо
рассчитать тепловые потери. В вакуумных печах сопротивления с экранной защитой большая часть энергии уходит через изоляцию. Для определения количества экранов и их материала часто используют правило: один экран на 200оС. Например, для печи с рабочей температурой 2400оС рекомендовано применить 12 защитных экранов, при этом 3 внутренних должны быть сделаны из вольфрама, следующие из молибдена и самые последние можно выполнить из нержавеющей стали [7]. Для проверки правильности выбора количества и материала экранов необходимо знать температуру каждого из них.
Тепловая энергия в вакуумных печах передаётся, в основном, излучением. Между экранами происходит только лучистый теплообмен и при расчете тепловых потерь и температур каждого слоя применяются законы теплового излучения, в частности закон Стефана-Больцмана. Теплопроводностью в экранах, как правило, пренебрегают из-за их малых толщин 0,1-0,4мм.
Для материалов, применяемых в вакуумных печах, степень черноты можно определить по различным справочникам. В работе [2] приведены значения степеней черноты для наиболее используемых в печах материалов при различных температурах.
Рис. 3. Система цилиндрических тел с произвольным числом экранов
Для вакуумных печей, имеющих цилиндрическую конструкцию, подходят формулы для теплообмена излучением между телом и его оболочкой при наличии п экранов [4], как показано на рис. 3. Очевидно, что эта система похожа на структуру вакуумной печи, что видно из поперечного сечения А-А из рис. 1. Кольцо нагревателей - это поверхность 1 площадью Fl, имеющее температуру Т1 и степень черноты £]. Корпус печи - это оболочка 2 с площадью F2, температурой Т2 и степенью черноты е2. Слои изоляции печи - это экраны с площадями Fэn, температурой Тэп, степенями черноты еэп.
Произвольное число экранов, последовательно установленных между телами 1 и 2, позволяет рассматривать полученную систему как совокупность систем «тело 1 - экран 1», «экран 1- экран 2» и т. д. Тогда можно записать следующую систему уравнений [4]:
В системе уравнений ^-и, и т.д - приведенные поглощательные способности отдельных систем, определяющиеся как:
Учитывая, что при стационарном режиме
некоторых преобразований, получим выражение для потока результирующего излучения:
\юо/ V
-V
100^
(12),
где приведенная поглощательная способность рассматриваемой излучающей системы представится соотношением:
Согласно закону Кирхгофа £ — А, тогда приведенную поглошательную способность системы -<4(1-2)3 можно заменить для удобства на эквивалентную ей приведенную степень черноты системы -7 В этом случае уравнения для оп-
ределения результирующего потока системы и приведённой степени черноты будут следую щими:
9(1-2)3 С5 ' £(.1-2~)Э '
4100/ \100
(14),
Температуры экранов при этом можно вычислить по формулам, выраженных из системы уравнений (10):
Приведенные уравнения позволяют применить их для расчета вакуумных печей с экранной изоляцией, а именно найти тепловой поток, идущий от нагревателей к корпусу печи и определить температуры экранов. Температура нагревателей"^ и температура корпуса печи Т - задаются как исходные данные. Количество экранов часто определяется из условия один экран на 200°С. Степени черноты £ для материалов защитных экранов, корпуса печи и нагревателей выбираются в зависимости от температуры по справочникам, при этом температуры э кранов принимаются исходя из её линейного уменьшения от нагревателя к корпусу (хотя на самом деле закон изменения температуры не линейный). Эти данные достаточны для определения теплового потока Q^l-¿}э Затем, знаяфц.^э определяются температуры экранов Тэ1з Тэ2 и т.д. Эти температуры сравниваются с температурами, для которых определялась степень черноты экранов. Если температуры отличаются больше чем на 5%, то расчет повторяют заново, при этом степени черноты корректируют согласно рассчитанным температурам. Расчет повторяется до тех пор, пока заданные температуры экранов будут отличаться от полученных не больше, чем на 5%.
где £1-2 определяется как:
Заключение
1.Дана информация об использовании вакуумных печей с экранной изоляцией и рассмотрен их конструктивный принцип.
2. На основании анализа литературных источников предложена методика расчета экранной изоляции вакуумных печей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лейканд, М. С. Вакуумные электрические печи / М. С. Лейканд.- М., «Машиностроение», 1977.52 с.
2. Мармер Э. Н. Материалы для высокотемпературных вакуумных установок / Э. Н. Мармер -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007 - 152 с. (ISBN 97859221-0823-2).
3. Макарычев, И. И. Сверхвысоковакуумные электрические печи сопротивления / И.И. Макарычев, А.И.. Кондратьев. - М.: Энергия, 1975.96 с. (Б-ка электротермиста, вып. 61).
4. Исаченко, В. П. Теплопередача/ В.П.Исаченко - М.: Энергия,1975 - 488 с.
5. Спэрроу, Э. М. Теплообмен излучением, пер. с англ. / Э.М.Спэрроу , Р.Д,Сесс.-М.:Энергия,1971.- 296 с.
6. Зигель Р. Теплообмен излучением, пер. с англ./ Р.Зигель , Дж.Хауэлл. - М.: Мир, 1975. - 935 с.
7. CharlesE. DavidRowe. Refractory metals / Charles E. David Rowe // Heat treating progress-2003.-November/December.- P. 56-60.
Рукопись поступила в редакцию 13.11.2015.
RADIANT HEAT TRANSFER IN HIGH TEMPERATURE VACUUM FURNACES WITH ON-SCREEN
THERMAL INSULATION
S.Melnikov
The article presents the theoretical basis of radiative heat transfer. Application of laws of thermal radiation for calculation of the established thermal stream in high-temperature vacuum furnaces with screen thermal isolation is described.
Keywords: radiative heat transfer, heat transfer by radiation, high temperature vacuum furnace, on-screen thermal insulation.
