Материал: Несенчук А.П. Пламенные печи для нагрева и термообработки металла учеб. пособие

Используя закон теплопроводности Фурье, получаем

Плотность потока тепла на границе пакета и стенки (Х = 0)

Средняя плотность потока за время, соответствующее Fo,

Выражение (8.45), описывающее перенос тепла в вибропсевдоожиженном слое, громоздко. В инженерной практике принято поль­ зоваться законом Ньютона

а интенсивность теплообмена характеризовать коэффициентом теп­ лоотдачи а. Совместное решение выражений (8.45) и (8.46) дает

сч, рч — теплоемкость и плотность частиц; Ф— избыточная температура;

тЭф — эффективное время, отражающее основные гидродинами­ ческие особенности слоя у поверхности: его порозность и скорость твердой фазы. Величина тЭф есть функция па­ раметров Л и со.

В режиме ctmax, определяемом условием (8.40), тЭф = = 0,33 сек [97].

Теплопроводность неподвижной засыпки мелких частиц в атмо­ сфере холодного воздуха составляет 0,1—0,3 вт/м-° К и растет с по­ вышением температуры.

Для частиц размером 0,5 мм в интервале температур термо­ обработки доля излучения в общем потоке тепла несущественна. В виброслое обычно используют частицы размером менее 0,5 мм.

Л/7

Рис. 8.26. Графики для определения эффективной теплопроводности (без учета излучения) плотного слоя £82[ в зависимости от порозности (е), теплопроводности газовой Хг и твердой фазы Х ч

Поэтому для расчета теплообмена в этой среде можно воспользо­ ваться значениями Лп, взятыми из графика (рис. 8.26) без учета лу­ чистой составляющей.

Сопоставление соотношения (8.50) с опытными данными для режима ctmax показывает совпадение со средним разбросом ±14% (что для псевдоожиженных систем не является слишком большим) в диапазоне критерия F o > 5 (область мелких частиц). При значе­ ниях Fo=sC5 опытные данные отклоняются в зависимости (8.48) и с погрешностью ±15% описываются полуэмпирическим соотно­ шением

При расчете по формулам (8.48) и (8.49) в качестве определяю­ щей принимается средняя температура пакета, равная примерно 28% температуры поверхности металла [97].

Необходимо учесть, что приведенные соотношения для расчета теплообмена проверены лишь в опытах с охлаждаемыми изделиями толщиной 15 — 40 мм. При расчетах теплообмена с деталями боль­ ших размеров следует вводить поправочный коэффициент, равный 0,8—0,9.

Частота вибраций выбирается исходя из числа оборотов стан­ дартных электродвигателей, а амплитуда в соответствии с выраже­

228

Г л а в а 9. ГЕНЕРАТОРЫ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОНТРОЛИРУЕМЫХ АТМОСФЕР

Контролируемые атмосферы, применяемые при химико-термиче­ ской обработке, приготавливаются в специальных установках-гене­ раторах. В настоящее время созданы генераторы, предназначенные для приготовления атмосфер различного типа. Технико-экономиче­ ские показатели генераторов определяют качество и стоимость кон­ тролируемой атмосферы. Поэтому ученые и конструкторы постоянно работают над совершенствованием старых и созданием новых гене­ раторов. Значительным шагом вперед в технике приготовления контролируемых атмосфер явилось использование метода псевдо­ ожижения частиц катализатора и теплоносителя.

Наиболее распространенную группу генераторов составляют установки для получения атмосфер из углеводородов при взаимо­ действии с воздухом. В зависимости от того, положителен или отри­ цателен суммарный тепловой эффект процесса приготовления атмо­ сферы, эти установки принято делить на эндо- и экзотермические. В большинстве случаев сырьем для получения эндо- и экзогаза слу­ жит природный газ. Кроме того, для этой цели могут быть исполь­ зованы сжиженный газ, жидкое углеводородное сырье, а также твердое топливо.

Отдельную группу составляют генераторы для получения азот­ но-водородной атмосферы из аммиака или технического азота н установки для очистки и осушки инертных газов.

9.1. ЭНДОТЕРМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Основными компонентами эндотермического газа, кроме азота, являются окись углерода и водород. Двуокись углерода и водяные пары имеются в эндогазе в ничтожном количестве. Атмосфера эндо­ газа широко применяется при цементации, нитроцемеитации и дру­ гих процессах химико-термической обработки. Как правило, эндо­ термическая атмосфера приготавливается из газового сырья, причем в большинстве случаев из природных газов.

Эндогаз получается в соответствии со следующей реакцией:

230

Как видно, в готовом эндотермическом газе содержится при­ мерно 20% СО, 40% Н2 и 40% N2, а коэффициент избытка воздуха а

близок к 0,25. При больших значениях а содержание С02 и Н20 в эндогазе повышается, что нежелательно. Уменьшение коэффициен­ та расхода воздуха при обычных температурах приготовления эндо­ газа приводит к выпаданию сажистого углерода [98]. Повышение температуры ограничивается стойкостью материала реактора.

Экспериментально установлено [98], что реакция получения эндогаза протекает в две стадии. В первой стадии происходит наи­ более вероятная реакция полного горения части подаваемого метана за счет имеющегося в смеси кислорода:

В результате этих эндотермических реакций температура умень­ шается и требуется подвод тепла извне. Как уже отмечалось, реак­ ции взаимодействий СН4 с С02 и Н20 при температурах ниже 1000° С протекают с малой скоростью. Термодинамический анализ показывает, что эти реакции могут протекать достаточно быстро и до конца лишь при температурах порядка 1300° С. Осуществление реакций при более низких температурах возможно лишь в присут­ ствии катализатора. Ведение процесса при температуре 1300° С тре­ бует применения остродефицитных жаростойких материалов, услож­ няет процесс и конструкцию установки (генератора). Поэтому про­ цесс получения эндогаза ведут на слое катализатора, что позволяет снизить рабочую температуру в реакторе до 850—950° С. Дальней­ шее уменьшение температуры приводит к науглероживанию ката­ лизатора и его разрушению.

Катализатор — активный компонент и не расходуется при про­ текании реакции. Активность катализатора обусловлена его порис­ той структурой и большой площадью активной поверхности, достигающей иногда сотен квадратных метров на грамм катализа­ тора. В теории катализа предполагается, что катализаторы сущест­ венно снижают энергию активации реакции и образуют с реагирую­ щими веществами промежуточные химические соединения, сущест­ вующие непродолжительное время, но обладающие высокой активностью. Газовые гетерогенные каталитические процессы состо­ ят из нескольких стадий: переноса вещества к поверхности катали­ затора, адсорбции и десорбции, переноса продуктов в газовую фазу. Активность реакции резко снижается при наличии в газах даже не­ большого количества определенных компонентов, являющихся яда­ ми для данного катализатора. Поэтому в ряде случаев необходима тонкая очистка подаваемого в реактор газа от некоторых примесей.

231