Методические указания к контрольной работе 1




Контрольная работа 1 включает 3 вопроса теоретических и 2 задачи

Вариант контрольной работы выбирается по двум последним цифрам шифра студента по таблице 1, где по вертикали цифра от 0 до 9 соответствует предпоследней цифре шифра (десятки), а по горизонтали – последней цифре шифра (единицы). Пересечение горизонтальной и вертикальной линий определяет клетку с номерами вопросов.

Таблица 1 – Выбор варианта контрольного задания 1

 

 

Предпоследняя цифра шифра (десятки)   Последняя цифра шифра (единицы)
                   
  1 14 31 43 45 2 15 32 44 46   3 16 33 44 45   4 17 34 43 45   5 18 35 44 46   6 19 36 43 46   7 20 37 43 45   8 21 38 44 46   9 22 39 43 46 10 23 40 44 45  
  11 24 41 44 46 12 25 42 43 46 13 26 31 44 45 1 27 32 43 46 2 28 33 44 45 3 29 34 43 45 4 30 35 43 46 5 14 36 43 45 6 15 37 44 45 7 16 38 43 46
  8 17 39 43 45 9 18 40 44 45 10 19 42 43 46 11 20 41 44 45 12 21 31 43 46 13 22 32 44 46 1 23 33 44 45 2 24 34 43 46 3 25 35 44 46 4 26 36 43 45
  5 27 7 44 45 6 28 38 43 45 7 29 39 43 45 8 30 40 44 46 9 14 41 43 45 10 15 42 44 45 11 16 31 44 46 12 17 32 44 45 13 18 33 43 45 1 19 34 44 46
  2 20 35 43 46 3 21 36 44 45 4 22 37 44 46 5 23 38 43 45 6 24 39 44 46 7 25 40 43 46 8 26 41 43 45 9 27 42 44 46 10 28 31 43 46 11 29 32 44 45
  12 30 33 44 46 13 14 34 43 46 1 15 35 43 46 2 16 36 44 45 3 17 37 44 45 4 18 34 43 45 5 19 39 44 45 6 20 40 43 46 7 21 41 44 45 8 22 42 43 45
  9 23 31 43 45 10 24 32 43 45 11 25 33 44 45 12 26 34 43 46 13 27 35 43 46 1 28 36 44 45 2 29 37 43 46 3 30 38 44 45 4 14 39 43 45 5 15 40 44 46
  6 16 41 44 45 7 17 42 44 46 8 18 31 43 45 9 19 32 44 46 10 20 33 43 45 11 21 34 43 46 12 22 35 44 46 13 23 36 43 45 1 24 37 44 46 2 25 38 43 46
  3 26 39 43 46 4 27 40 43 45 5 28 41 44 46 6 29 42 43 45 7 30 31 44 46 8 14 32 44 45 9 15 33 43 45 10 16 34 44 46 11 17 35 43 46 12 18 36 44 45
  13 19 37 44 46 1 20 38 44 46 2 21 39 44 45 3 22 40 43 46 4 23 41 43 45 5 24 42 43 45 6 25 31 44 45 7 26 32 43 45 9 27 33 44 45 8 28 34 43 46

 

Раздел 1 Основы механики печных газов

Механика газов изучает условия равновесия и закономерности движения газов. Многие важные процессы, протекающие в промышленных печах, зависят от характера движения газов: теплообмен, распределение температур и давлений, работа систем удаления продуктов сгорания и охлаждения и т.д. В топливных печах продукты сгорания топлива являются тем теплоносителем, от которого тепло передается обрабатываемому материалу. В электрических печах движение воздуха или специально созданной атмосферы способствует развитию теплообменных и диффузионных процессов.

1.1 Статика газов

Статика изучает равновесие (состояние покоя) жидкостей и газов. На любой объем покоящейся жидкости или газа действуют только силы тяжести и давления. В неподвижном объеме силы тяжести действуют по вертикали и вызывают соответствующее изменение давления

Основным уравнением статики является уравнение Эйлера, составленное как баланс изменения энергии 1м3 газа в направлении координатной оси z, уравнение имеет вид

 

p·g =dP/dZ

гдеp- плотность газа, кг/м3,

g - ускорение силы тяжести, м/с2,

dP – изменение давления при изменении высоты столба жидкости на величину dZ.

Если уравнение Эйлера решать для каких-то двух сечений, расположенных на расстоянии Н друг от друга, при условии, что газ несжимаемый, т.е. p =const, то основное уравнение статики будет иметь следующий вид

 

P2 = P1+pgH

Где P2, P1 – абсолютное давление соответственно в сечениях 1и 2, Па;

pgH- геометрическое давление, обусловленное силой тяжести, зависящее от плотности p и высоты столба газа H,Па.

 

Давление есть сила, действующая на единицу площади. Различают давление абсолютное и избыточное. Избыточное давление - это разность между давлением в какой-либо емкости и атмосферным давлением. Если давление газа в емкости меньше атмосферного его называют разрежением. Величина разряжения показывает, на сколько абсолютное давление газа меньше атмосферного.

В металлургической теплотехнике пользуются избыточным давлением (напором). Для статики характерны два вида: статическое и геометрическое.

Статическое давление (hст) – есть разность давлений заключенного в емкости газа и окружающей среды. Оно может быть, как положительным, так и отрицательным. Статическое давление характеризует тот запас потенциальной энергии, которым располагает 1м3 газовой системы.

 

hст = Pг- Pв,

гдеPг,Pв – давление газа и воздуха соответственно, Па.

 

Поверхность, в каждой точке которой hст = 0, называют уровнем нулевого избыточного давления.

Если hст = 0 находится на уровне пода, то над уровнем пода давление в печи больше атмосферного, что приводит к выбиванию горячих газов через отверстия и неплотности в стенках печи, как следствие ухудшаются условия службы металлических конструкций печи и увеличивается расход топлива. Если hст = 0поддерживать несколько выше уровня пода, то часть печи, расположенная ниже нулевого давления, будет находиться под разрежением, что вызовет подсос холодного воздуха в печь.

Геометрическое давление (hг) обусловлено стремлением горячих газов подняться вверх. Если в результате разности плотностей окружающего воздуха и газа последний переместится на высоту Н, то геометрическое давление будет определено выражением

 

hг = gH (pв–pг)

где pв, pг–плотность воздуха и газа соответственно, кг/м3

1.2 Динамика газов

Динамика изучает газ в состоянии движения. В рабочем пространстве печей и дымовых каналах газ движется при относительно невысоких скоростях (до 70-80 м/с) и небольших перепадах давления. В отдельных элементах печей (форсунки, горелки) встречается движение газа с высокой скоростью, от

150м/с до скорости звука и выше.

В зависимости от характера движения различают ламинарное и турбулентное движения газов. Ламинарное движение – это упорядоченное движение, которое иногда называют слоистым, т.к. струйки газа перемещаются параллельно одна другой, не пересекаясь. Характерной особенностью ламинарного движения является параболическое распределение скоростей по сечению потока, обусловленное трением о поверхность прилегающего к ней слоя газа и последующих слоев друг о друга.При турбулентном режиме в потоке возникает множество вихрей, что приводит к интенсивному перемешиванию газа. Распределение скоростей при этом более равномерно и имеет вид усеченной параболы

Пределы существования ламинарного и турбулентного движения определяются критерием Рейнольдса, который представляет собой соотношение сил инерции и сил внутреннего трения

 

Re = Wdг

Где W – скорость движения газа, м/с;

dг– гидравлический диаметр канала, м

dг = 4F/П (F – площадь сечения, м2; П – периметр, м)

υ – коэффициент кинематической вязкости, м2

 

Установлено, что ламинарное движение имеет место при малых значениях критерия Рейнольдса, а турбулентное при относительно высоких.

 

ЕслиRe ˂ 2100 – поток ламинарен,

Re ˃ 2300 – турбулентен

 

Основным уравнением динамики является уравнение Бернулли.Для несжимаемого газа при условии, что все его члены отнесены к единице объема, уравнение имеет вид:

pgH +P+pW2/2 =const

где pgH – геометрическое давление;

P – статическое давление;

pW2/2 – динамическое давление

Уравнение Бернулли представляет собой закон сохранения энергии, поскольку сумма геометрического и статического давления(pgH + P) характеризует потенциальную энергию, а величина динамического давления(pW2/2) – кинетическую.

В металлургической теплотехнике в большинстве случаев пользуютсядавлением избыточным над атмосферным, то уравнение Бернулли, когда все его члены выражены в избыточных давлениях имеет вид

hст1 +hг1 + hд1 = hст2 +hг2+hд2 =const

Однако равенство h1 = h2 строго справедливо лишь для идеальной среды, полностью лишенной вязкости. Если же по каналу движется реальный газ, то часть энергии тратится на преодоление различных сопротивлений и происходит потеря энергии. В этом случае при движении от сечения 1 к сечению 2

hΣ1 =hΣ2 +hпотерь

гдеhпотерь = hтр +hм.с

Потери на трениеhтрможно определить по формуле

hтр=λНW2p/2dг

где λ – коэффициент трения (при приближенных расчетах можно принять постоянным и равным для кирпичных каналов 0.05; для металлических – 0.04)

Н – высота канала, м

dг – гидравлический диаметр канала, м.

Потери на местные сопротивления возникают при резком изменении величины скорости, при резком изменении сечения канала, при повороте канала.

hм.с= ξ hд

где ξ – коэффициент местных сопротивлений

Важнейшим расчетом, который выполняется для большинства печей, является определение суммарных потерь давления на пути движения дымовых газов от печи до дымовой трубы. Наряду с уравнением Бернулли важную роль в гидро- и аэродинамике играют уравнение сплошности и уравнение импульсов Эйлера.

 

Раздел 2 Топливо и расчеты горения топлива

2.1 Общая характеристика топлива. Основы теории горения

 

Топливо – горючее вещество, при сжигании которого выделяется большое количество тепла. По происхождению топливо подразделяется на естественное и искусственное. Последнее является продуктом переработки естественного топлива. По агрегатному состоянию топливо делится на твердое, жидкое и газообразное. Агрегатное состояние определяет способы его хранения, транспортировки и сжигания.

Топливо, сжигаемое в промышленных печах, называется рабочим топливом. Горючими органическими элементами топлива являются: углерод, водород, летучая сера. Кроме горючих элементов рабочее топливо содержит негорючие органические элементы – кислород и азот, входящие в состав топлива в виде сложных высокомолекулярных соединений, а также негорючие минеральные примеси, образующие после горения топлива золу и влагу.

Чтобы установить состав топлива проводят технический и химический анализ топлива. При техническом анализе определяют влагу, летучие и золу. Химический анализ можно выполнить по элементарному составу и определением содержания в топливе отдельных химических соединений. Первый метод анализа применяют для твердого и жидкого топлива, второй – для газообразного топлива.

Элементарный анализ проводят с целью определения содержания элементов в процентах по массе. Элементарный анализ дает представление о топливе, как о механической смеси отдельных элементов. В соответствии с элементарным анализом в топливе различают: органическую, горючую, сухую и рабочую массы. Органическая масса топлива дает возможность судить о его природе, а горючая масса – о топливе, как о горючем.

Химический анализ газообразного топлива выполняют последовательным поглощением отдельных составляющих различными реактивами. Его результаты, выраженные в объемных процентах, показывают содержание составных частей газообразной смеси.

При сжигании топлива выделяется тепловая энергия. Количество выделившегося тепла связано с химическим составом топлива. Количество тепла, выделяемое при сгорании единицы топлива, называется теплотой сгорания топлива.

Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Высшая теплота сгорания соответствует условию, что водяные пары, образовавшиеся при горении, конденсируются в зоне горения и находятся при температуре 273К. В условиях высоких температур, наблюдаемых в рабочем пространстве металлургических печей, водяные пары в пределах зоны горения не конденсируются и вместе с другими газообразными продуктами сгорания отводятся из печи в атмосферу. Поэтому фактическое количество тепла, выделяющееся в зоне горения топлива, меньше высшей теплоты сгорания.

Низшая теплота сгорания больше соответствует действительности, т.к. при сжигании топлива пары воды в газообразном состоянии покидают рабочее пространство печи с продуктами сгорания. Низшая теплота сгорания является технической характеристикой топлива, этой величиной определяется практическая ценность топлива. Количественная разница между Qв иQн на 1кг н2о составляет ≈2512.2 кДж/кг.

Для сравнительной оценки различных видов топлив используется понятие условного топлива, характеризуемого теплотой сгорания 29300кДж/кг. Для перевода любого топлива в условное следует разделить его теплоту сгорания на 29300, т.е. найти эквивалент данного топлива.

В настоящее время в металлургической промышленности наиболее распространенным является газообразное топливо. Реже используют жидкое топливо мазут, практически единственным видом твердого топлива является кокс.

Основы теории горения

Горение – процесс взаимодействия топлива с окислителем, сопровождающийся выделением тепла. Роль окислителя в большинстве случаев выполняет кислород воздуха. Процесс горения складывается из двух стадий:

- смешение топлива с воздухом;

- воспламенение и горение.

Сжигание топлива в пламенных печах осуществляется в факеле. Факел – это струя, состоящаяиз компонентов, обладающих различными физическими свойствами, в пределах которой осуществляется горение. Образование горючейсмеси может осуществляться как вне факела, так и непосредственно в факеле. В первом случае горючая смесь поступает предварительно подготовленная, во втором – топливо и воздух подводятся отдельно и уже в факеле происходит их перемешивание.

Горение заранее подготовленной смеси называют кинетическим, а горение протекающее одновременно со смесеобразованием – диффузионным. Горение газообразного топлива может происходить в кинетической и диффузионной областях.

В условиях промышленных печей жидкое топливо сжигают в распыленном состоянии. Основой процесса распыливания является дробление жидкости распылителем. Процесс сжигания топлива складывается из:

- распыливания

- воспламенения;

- горения.

Горение твердого топлива относят к гетерогенным процессам, хотя в нем встречаются и элементы гомогенного горения (горение летучих). Процесс горения твердого топлива может быть разделен на следующие стадии:

- подогрев и подсушка топлива;

- процесс пирогенного разложения топлива с выделением летучих и образованием коксового остатка;

- горение летучих и коксового остатка.

В металлургической практике в большинстве случаев применяют полное горение, продукты которого не содержат каких-либо горючих компонентов.

 

2.2 Расчеты горения топлива

Расчет горения топлива выполняется с целью определения:

- количества необходимого для горения воздуха;

- количества и состава продуктов сгорания;

- температуры горения.

Методика расчета горения топлива подробно изложена [1],с.129

 

2.3 Устройства для сжигания топлива

Устройства для сжигания топлива предназначены для того, чтобы обеспечить превращение химической энергии топлива в тепловую энергию для осуществления технологических операций. Метод сжигания топлива выбирают в зависимости от вида топлива и назначения печи. Выбирая и размещая устройства для сжигания топлива необходимо:

- обеспечить заданную температуру и характер ее изменения;

- подвод топлива, который соответствовал бы выбранному распределению температуры;

- характер движения газов и теплообмена, который является наиболее целесообразным.

Для сжигания газообразного топлива применяют горелки. Основным классификационным признаком горелок является способ смешения топлива с воздухом. По этому признаку горелки делят на:

- с полным предварительным смешением газа и воздуха (беспламенные горелки);

- с частичным предварительным смешением;

- без предварительного смешения газа и воздуха(пламенные).

Для сжигания жидкого топлива применяют специальные устройства, называемые форсунками. Форсунки должны обеспечивать хорошее распыливание и перемешивание топлива с воздухом. Надежность в эксплуатации, простоту и прочность конструкции.

Форсунки делят на две группы:

- низкого давления (распылитель вентиляторный воздух низкого давления);

- высокого давления (распылитель компрессорный воздух или пар высокого давления).

В форсунках низкого давления весь воздух, необходимый для горения, поступает через форсунку, В форсунках высокого давления доля распылителя(воздуха), расходуемого на горение, составляет 7-12%, остальной воздух через форсунку не проходит, а поступает по специальным керамическим каналам в зону горения.

Описание конструкций топливосжигающих устройств изложено [1],с.133

 

Раздел 3 Основы теплопередачи

3.1 Общая характеристика процессов теплообмена

При наличии в некоторой среде неоднородного поля температуры в ней неизбежно происходит процесс переноса тепла, этот процесс переноса осуществляется в направлении уменьшения температуры. Процесс передачи тепла развивается как во времени, так и в пространстве. Распределение температур в пределах изучаемого пространства называется температурным полем. Температурное поле и поле тепловых потоков может изменяться и во времени.

Если температура (тепловой поток) с течением времени не претерпевает никаких изменений, то тепловое состояние принято считать стационарным, если же температура изменяется со временем – нестационарным.

Процессы переноса тепла могут осуществляться за счет различных механизмов. Различают три основных вида передачи тепла: теплопроводность, конвекцию, тепловое излучение.

3.2 Теплопроводность

Теплопроводность – передача тепла от одних частей тела к другим без заметного перемещения частиц. Сущность процесса состоит в том, что кинетическая энергия мельчайших частиц, составляющих тело, передается от более нагретых частиц к менее нагретым.

Передача тепла теплопроводностью наиболее характерно осуществляется в гомогенных непрозрачных твердых телах и возможна как при стационарном, так и при нестационарном состоянии.

При стационарном тепловом состоянии температура с течением времени остается неизменной. Подобные случаи передачи тепла теплопроводностью встречаются через плоские стенки.

При нестационарном состоянии с течением времени происходит изменение температуры тела. Подобное изменение возможно, когда тело остывает или когда оно нагревается. На практике это широко распространенный процесс нагрева металла.

Плотность теплового потока, который передается через стенку

q = l (T1- T2)/S

где l - коэффициент теплопроводности, Вт/м·К;

S – толщина стенки, м;

 

3.3 Конвективный теплообмен

Конвективный теплообмен происходит при движении жидкости или газа, движущиеся частицы которых и являются теплоносителями. Теплопередача конвекцией является очень сложным процессом, зависящим от большого числа факторов. На теплоотдачу конвекцией влияет природа возникновения движения, т.е. силы, вызывающие это движение. Эти силы могут зарождаться как в самой среде, так и быть приложенными извне. В первом случае будет свободная конвекция, во втором – вынужденная.

Свободная конвекция может протекать как в ограниченном, так и неограниченном пространстве. При значительном удалении поверхностей, вдоль которых идет процесс теплообмена, нагрев и охлаждение происходят не влияя друг на друга, в этом случае можно говорить о свободной конвекции в неограниченном пространстве и о том, что режим движения определяется не формой тела, а температурными условиями.

Если пространство между поверхностями, вдоль которых идет теплообмен, ограничено, то процессы нагрева и охлаждения разделить невозможно и можно говорить о свободной конвекции в ограниченном пространстве. Такой сложный процесс рассматривают как элементарное явление передачи тепла теплопроводностью, вводя понятие эквивалентного коэффициента теплопроводности.

При вынужденном движении теплоотдача конвекцией зависит от характера движения и скорости.

Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена имеет вид

q = aк·(T1 – T2)

гдеaк - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м2К;

3.4 Теплообмен излучением

Радиационный теплообмен играет исключительно важную роль в современных теплотехнических агрегатах. В металлургических печах доля теплового излучения составляет от 60 до 100%.

Передача тепла излучением осуществляется при помощи электромагнитных волн. Любому телу свойственно тепловое излучение, если его температура отлична от абсолютного нуля. Чем выше температура, тем больше его тепловое излучение.

Плотность теплового потока при передаче тепла излучением

q = aизл·(T1 – T2)

где aизл - коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/м2К;

Тела могут поглощать, пропускать и отражать тепловые лучи. В теории теплового излучения тело, отражающее все падающие на него тепловые лучи называют абсолютно белым, а тело, поглощающее все лучи – абсолютно черным. Реальные тела занимают промежуточное положение, для них характерно частичное поглощение и частичное отражение тепловой лучистой энергии, их называют серыми телами. Некоторые из серых тел по своим близко подходят к абсолютно белым или абсолютно черным.

Большое значение имеют основные законы теплового излучения: закон Стефана-Больцмана, закон Кирхгофа, закон Ламберта, закон квадрата расстояний.

В металлургических печах происходит сложный теплообмен, в котором участвуют несколько тел, обладающих излучательной способностью: газ, кладка, металл.

Основным теплоносителем является газ (продукты сгорания), но не все газы обладают излучательной способностью. Спектр встречающихся в составе печной атмосферы одно- и двухатомных газов состоит из очень узких полосок, потому общее количество излучаемой ими энергии невелико и практически равно нулю. Вместе с тем эти газы являются также лучепрозрачными и практически не нагреваются при прохождении через них лучей от других тел. Трех- и многоатомные газы могут излучать и поглощать большое количество тепла.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2020-11-02 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: