Тепловое взаимодействие пламени с металлом

Нагрев металла пламенем обусловлен вынужденным конвективным и лучистым теплообменом между потоком горючей смеси пламени и соприкасающимся с ним участком поверхности металла. Значение лучистого теплообмена невелико и составляет 5-10% величины общего теплообмена пламени и металда. Таким образом, газовое и, в частности, сварочное пламя, являющееся местным поверхностным теплообменным источником, можно в первом приближении рассматривать как конвективный теплообменный источник.
Интенсивность вынужденного конвективного теплообмена в основном зависит от разности температур пламени и нагреваемой поверхности металла и от скорости перемещения потока пламени относительно этой поверхности.
В общем виде удельный тепловой поток пламени q2, представляющий собой количество теплоты, вводимой пламенем за единицу времени через единицу площади нагреваемой поверхности металла, можно выразить известным правилом Ньютона

q2=α(Тп-Т),

где α - коэффициент теплообмена между пламенем и металлом, равный сумме коэффициентов вынужденного конвективного и лучистого теплообмена кДж/(см2∙с∙°С) [ккал/(см2∙с∙°С)]; Тп - температура потока газов пламени, °С; Т - температура поверхности металла, на которую направлен поток пламени, °С.
Коэффициент а в процессе нагрева металла и увеличения его температуры уменьшается, в связи с чем выбирать значения этого коэффициента следует только по данным, основанным на сопоставлении опытных результатов с теоретическими расчетами распространения теплоты распределенных источников, разработанными Н.Н. Рыкиным.
Направленный на поверхность металла газовый поток пламени деформируется и, растекаясь, нагревает значительный по размерам участок поверхности металла. Этот участок поверхности называют пятном нагрева.
Характер распределения удельного теплового потока пламени по пятну нагрева зависит от угла наклона пламени, расстояния от сопла до нагреваемого металла и средней скорости истечения горючей смеси из сопла горелки.
Эффективная тепловая мощность и эффективный к. п. д. пламени..
Эффективная тепловая мощность пламени q есть количество теплоты, вводимой пламенем в металл за единицу времени, и зависит в основном от расхода горючего газа, с увеличением которого она возрастает (рис. 40).

Рис. 40. Эффективная мощность пламени в процессе нагрева металла в зависимости от расхода ацетилена. Условия опытов: φ=90°; h=5/4L; fr>=l,0; ω - 500 мм/мин; образцы из низкоуглеродистой стали размером 110x50x6 мм

Эффективность нагрева металла газовым пламенем оценивается эффективным к.п.д. ηи, представляющим собой отношение эффективной мощности пламени q, определяемой калориметрированием, к полной тепловой мощности пламени (qн), подсчитываемой по низшей теплотворности горючего: ηи= q/qн.
Для ацетилено-кислородкого пламени при низшей теплотворности ацетилена 52468 кДж/м3 (12600 ккал/м3) или 52468 Дж/дм3 (12600 кал/л) при 20° С и 760 мм рт. ст. эффективный к.п.д. пламени

где Va - расход ацетилена, дм3/с (л/ч).
Из этого выражения, а также из графика на рис. 41, построенного для различных расходов ацетилена (обеспечиваемых семью номерами наконечников простой сварочной горелки), видно, что с увеличением расхода ацетилена вследствие изменения условий теплообмена пламени с поверхностью металла, эффективный к.п.д. пламени ηи, а следовательно, и эффективность нагрева падают.

Рис. 41. Эффективный к.п.д. пламени в процессе нагрева в зависимости от расхода ацетилена. Условия опытов те же, что и на рис. 60

Тепловая эффективность процесса проплавления металла сварочным пламенем. Эффективность использования вводимой в металл теплоты движущимся сварочным пламенем характеризуется термическим к.п.д. проплавления ηи, представляющим собой отношение теплоты, затрачиваемой на проплавление металла объемом ωFnp, к полной тепловой мощности пламени qн:

где Fnp - площадь поперечного сечения металла шва, см2; ω - скорость перемещения горелки, см/с; ρ - плотность металла, кг/м3; Sпл - теплосодержание единицы массы металла при температуре Тпл, кДж/кг (ккал/кг).
Основным параметром, определяющим производительность процесса проплавления, является расход горючего газа.