Министерство общего и профессионального образования Свердловской области

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение

Свердловской области «Нижнетагильский горно-металлургический колледж имени Е. А. и

М. Е. Черепановых»

Теплотехника

Методические указания и контрольные задания

для студентов заочной формы обучения

по специальности 22.02.05 Обработка металлов давлением

и 22.02.01 Металлургия черных металлов

Нижний Тагил

2017

1

Одобрена цикловой комиссией Утверждена заместителем директора

специальности 22.02.05 по учебной работе

«Обработка металлов давлением» А.А. Турова

Председатель комиссии: « » 2017г.

___________ П.С.Любимцева

Протокол №

«__»____________2017 г.

Разработчик: Прокопьева И.В., преподаватель ГАПОУ СО «НТГМК»

Высшей квалификационной категории, почетный работник СПО

2

Содержание

1.

Пояснительная записка 4

2.

Тематический план и содержание учебной дисциплины 5

3.

Перечень лабораторно-практических работ 6

4.

Общие методические указания 7

5.

Методические указания к контрольной работе 19

6.

Контрольная работа 1 28

7.

Методические указания к контрольной работе2 32

8.

Контрольная работа 2 55

Библиография 61

Приложения

Пояснительная записка

Методические указания составлены в соответствии с рабочей программой

учебной

дисциплины

Теплотехника

и

предназначены

для

реализации

3

Федерального

государственного

образовательного

стандарта

по

специальности

22.02.05

«Обработка

металлов

давлением»

(базовая

подготовка)

и

специальности

22.02.02

«Металлургия

черных

металлов»

(базовая подготовка)

Изучение дисциплины основывается на знаниях, полученных студентами

при

изучении

дисциплин

«Физика»,

«Химия»,

«Математика»,

«Основы

металлургического производства».

В результате освоения дисциплины обучающийся должен

уметь:

-

производить

расчеты

процессов

горения

и

теплообмена

в

металлургических печах

знать:

- основные положения теплотехники и теплоэнергетики;

- особенности движения газов в печах;

-

топливо

металлургических

печей,

методы

его

сжигания

и

методику

расчетов горения;

-

закономерности

процессов

тепло-

и

массообмена

в

металлургических

печах;

- виды теплообмена и их характеристику;

- режимы нагрева металла;

- факторы, обеспечивающие рациональную технологию нагрева металла;

- материалы, применяемые для сооружения металлургических печей;

- назначение и свойства огнеупорных материалов;

- теплотехнические основы утилизации тепла.

По учебному плану изучение данной дисциплины предусматривает

проведение обзорных лекций и лабораторно – практических работ в период

лабораторно

–

экзаменационной

сессии

и

межсессионных

консультаций.

Большая

часть

теоретического

материала

подлежит

самостоятельному

изучению, и в качестве одной из форм самостоятельной работы студентов

предусмотрено

выполнение

двух

домашних

контрольных

работ,

включающих задания теоретического и практического характера и курсового

проекта

для

специальности

22.02.01

Металлургия

черных

металлов.

Лабораторно

–

практические

работы

предназначены

для

углубленного

4

изучения теоретического материала и получения практических навыков и

умений.

В

качестве

итогового

контроля

знаний

предусматривается

дифференцированный

зачет

для

специальности

22.02.05

«Обработка

металлов

давлением»

и

защита

курсового

проекта

для

специальности

22.02.01 «Металлургия черных металлов».

Тематический план и содержание учебной дисциплины ТЕПЛОТЕХНИКА

Раздел 1. Основы механики печных газов

Тема 1.1 Статика газов

Тема 1.2 Динамика газов

Раздел 2. Топливо и расчеты горения топлива

Тема 2.1 Расчеты горения топлива

Тема 2.2 Устройства для сжигания топлива

Раздел 3. Основы теплопередачи

Тема 3.1 Общая характеристика процессов теплообмена

Тема 3.2 Теплопроводность

Тема 3.3 Конвективный теплообмен

Тема 3.3 Теплообмен излучением

Раздел 4. Нагрев металла

4. 1 Окисление и обезуглероживание металла

Тема 4. 2 Основы рациональной технологии нагрева металла

Тема 4.3 Расчет нагрева металла

Раздел 5. Материалы, применяемые для сооружения печей

Тема 5. 1 Огнеупорные, теплоизоляционные, другие строительные материалы

и металлы, применяемые при сооружении печей

Тема

5.2

Кладка

и

строительные

элементы

печей

(для

специальности

22.0.2.01 МЧМ)

Раздел 6. Утилизация тепла в металлургических печах

Тема 6.1 Теплотехнические основы утилизации тепла отходящих дымовых

газов

5

Тема

6.2

Рекуперативные,

регенеративные

теплообменники

и

котлы-

утилизаторы

Тема 6.3 Охлаждение печей и очистка дымовых газов (для специальности

22.0.2.01 МЧМ)

Раздел 7. Металлургические печи и конвертеры

Тема 7.1 Классификация и общая характеристика тепловой работы печей

Тема 7.2 Топливные печи, конвертеры и электрические печи

Тема 7.3 Техническое обслуживание и ремонт печей (для специальности

22.0.2.01 МЧМ)

Перечень лабораторно-практических работ

1. Расчет сопротивления дымового тракта

2. Расчет высоты дымовой трубы

3. Расчет эжектора

4. Расчет теплоты сгорания различных видов топлива

5. Полный расчет горения газообразного топлива

6. Расчет количества тепла, передаваемого через многослойную плоскую

стенку

Дополнительно для специальности 22.02.05 «обработка металлов давлением»

7.

Определение

приведенного

коэффициента

излучения

в

системе

«газ-

кладка-металл».

8.

Определение

коэффициентов

теплоотдачи

конвекцией,

излучением

и

суммарного коэффициента теплопередачи

9. Расчет продолжительности нагрева «тонкого» и «массивного» тел при

постоянной температуре

10. Расчет рекуперативного теплообменника

11.

Расчет

приходной

и

расходной

частей

теплового

баланса

печи.

Определение расхода топлива с использованием теплового баланса.

Общие методические указания

6

Основной вид учебной деятельности студентов заочного отделения –

самостоятельная работа над учебным материалом: изучение материала по

учебникам

и

учебным

пособиям,

выполнение

контрольных

заданий,

выполнение лабораторно – практических работ, посещение индивидуальных

консультаций,

посещение

учебных

занятий,

сдача

зачета

по

курсу

для

специальности

22.02.05

и

защита

курсового

проекта

для

специальности

22.02.02 «Металлургия черных металлов».

Работа с литературой

Изучать

курс

рекомендуется

по

темам,

предварительно

ознакомившись

с

содержанием тематического плана. Изучая курс, пользуйтесь предметным

указателем в конце учебника. При первом прочтении старайтесь получить

общее представление об излагаемых вопросах, а также отмечайте трудные и

неясные места. Внимательно прочитайте текст. При повторном изучении

темы усвойте все теоретические положения, математические зависимости и

их выводы.

Чтобы лучше усвоить и запомнить изучаемый материал, надо обязательно

иметь рабочую тетрадь и заносить в нее формулировки основных понятий,

новые незнакомые термины и названия, формулы. Во всех случаях, когда

материал поддается систематизации, составляйте схемы, таблицы. Пока тот

или

иной

раздел

не

усвоен,

переходить

к

изучению

новых

разделов

не

следует. Краткий конспект курса будет полезен при повторении материала в

период подготовки к зачету или защите курсового проекта. Изучение курса

должно обязательно сопровождаться решением задач.

Контрольные задания

При

изучении

дисциплины

студент

должен

выполнить

2

домашние

контрольные работы, к выполнению которой можно приступить только тогда,

когда будет изучена определенная часть курса и тщательно проработаны

примеры решения задач, приведенных в методических указаниях. Вариант

контрольной работы соответствует предпоследней и последней цифре шифра

студента.

Наиболее важные вопросы программы выносятся на обзорные занятия, но

необходимо помнить, что учебный материал нужно изучать систематически и

в

той

последовательности,

которая

дана

в

программе,

так

как

изучение

каждой последующей темы построено на знаниях, полученных при изучении

предыдущих тем.

Каждый вариант контрольного задания включает теоретические вопросы и

задачи. Ответы на теоретические вопросы должны отражать умение работать

с технической литературой, умение анализировать и обобщать изучаемый

7

материал.

Ответы

на

вопросы

задания

могут

быть

проиллюстрированы

схемами,

графиками,

диаграммами.

Можно

воспользоваться

ксерокопией,

взятой из учебной литературы. Рисунки должны иметь сквозную нумерацию

по всему тексту работы и сопровождаться подрисуночным текстом.

Текст должен быть написан разборчиво, сокращение слов не допускается.

Контрольная

работа

должна

быть

аккуратно

оформлена,

для

замечаний

рецензента

надо

оставлять

широкие

поля.

Решение

задач

должно

быть

представлено в том же порядке, в каком они указаны в задании. Работа

должна

быть

датирована,

подписана

студентом

и

представлена

на

рецензирование.

Контрольная работа может быть также представлена в печатном виде. В этом

случае необходимо соблюдать следующие требования: текст набирается в

Microsoft Word, печатается на одной стороне листа формата А4 и содержит

примерно 1800 печатных знаков на странице (считая пробелы между словами

и знаки препинания); шрифт TimesNewRoman — обычный, размер — 14

пунктов, междустрочный интервал — полуторный, верхнее и нижнее поля —

1,5 см, левое поле — 2,5 см и правое — 1,0 см; абзац должен быть равен 1,5

см; выравнивание текста по ширине.

Срок сдачи контрольной работы определяется графиком учебного процесса.

Работа не зачитывается и подлежит переработке (доработке), если

- выполнена не по своему варианту;

- выполнена не в полном объеме;

- имеет грубые ошибки.

Если контрольная работа не зачтена, то ее нужно выполнить заново в

соответствии

с

указаниями

рецензента

и

выслать

на

повторное

рецензирование

вместе

с

незачтенной

работой.

Контрольная

работа,

выполненная не по своему варианту, преподавателем не рецензируется и не

зачитывается.

При

выполнении

контрольных

работ

следует

строго

придерживаться

следующих требований:

1.

Номера и условия задач выполняются в том порядке, в каком они

указаны в задании;

2.

Решение

задач

и

ответы

на

вопросы

должны

быть

полными

и

исчерпывающими. При решении задач нужно приводить весь ход решения и

математические

преобразования.

Результат

каждой

формулы

должен

сопровождаться необходимой размерностью.

8

Запись решения задач ведется в следующей последовательности:

- написать расчетную формулу;

- указать значения условных буквенных обозначений, их размерность;

- подставить в формулу числовые значения и записать результат вычислений.

Окончательный результат вычислений следует приводить в системе СИ.

3.

После

выполнения

заданий

приводится

список

используемой

литературы.

Лабораторно – практические занятия

Для

более

глубокого

изучения

дисциплины

необходимо

выполнять

лабораторно-практические работы.

Консультации

Если

у

студента

возникают

затруднения

при

изучении

курса,

следует

обращаться

за

консультацией

к

преподавателю,

рецензирующему

контрольные работы. График консультаций имеется на заочном отделении.

Лекции

В

помощь

студентам

читаются

лекции

в

период

лабораторно

–

экзаменационной сессии.

Дифференцированный зачет и защита курсового проекта

К сдаче зачета (специальность 22.02.05 ОМД) и защите курсового проекта

(специальность

22.02.01

МЧМ)

допускаются

студенты,

выполнившие

2

домашние контрольные работы.

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

9

Раздел 1 Основы механики печных газов

Механика газов изучает условия равновесия и закономерности движения

газов.

Многие

важные

процессы,

протекающие

в

промышленных

печах,

10

Предп

оследн

яя

цифра

шифра

(десятк

и)

Последняя цифра шифра (единицы)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

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

1

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

2

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

3

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

4

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

5

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

6

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

7

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

8

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

9

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

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

1м

3

газа

в

направлении

координатной

оси z,

уравнение имеет вид

p·g =dP/dZ

гдеp- плотность газа, кг/м

3

,

g - ускорение силы тяжести, м/с

2

,

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

P

2

= P

1

+pgH

Где P

2

, P

1

– 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 (h

ст

) – 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 1м

3

газовой системы.

11

h

ст

= P

г

- P

в,

гдеP

г

,P

в

– давление газа и воздуха соответственно, Па.

Поверхность, в каждой точке которой h

ст

= 0, называют уровнем нулевого

избыточного давления.

Если h

ст

= 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 h

ст

= 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

(h

г

)

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

h

г

= gH (p

в

–p

г

)

где p

в

, p

г

–плотность воздуха и газа соответственно, кг/м

3

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

параболиче ское

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 = Wd

г

/υ

Где W – скорость движения газа, м/с;

d

г

– гидравлический диаметр канала, м

12

dг = 4F/П (F – площадь сечения , м

2

; П – периметр, м)

υ – коэффициент кинематической вязкости, м

2

/с

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+pW

2

/2 =const

где pgH – геометрическое давление;

P – статическое давление;

pW

2

/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

(

pW

2

/2) – кинетическую .

В

металлургической

теплотехнике

в

большинстве

случаев

пользуются

давлением избыточным над атмосферным, то уравнение Бернулли, когда все

его члены выражены в избыточных давлениях имеет вид

h

ст1

+h

г1

+ h

д1

= h

ст2

+h

г2

+h

д2

=const

Однако

равенство h

1

= h

2

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

h

Σ1

=h

Σ2

+h

потерь

гдеh

потерь

= h

тр

+h

м.с

Потери на трениеh

тр

можно определить по формуле

h

тр

=λНW

2

p/2d

г

где λ – коэффициент трения (при приближенных расчетах можно принять

постоянным и равным для кирпичных каналов 0.05; для металлических –

0.04)

13

Н – высота канала, м

d

г

– гидравлический диаметр канала, м.

Потери

на

местные

сопротивления

возникают

при

резком

изменении

величины скорости, при резком изменении сечения канала, при повороте

канала.

h

м.с

= ξ h

д

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.

14

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 Q

в

иQ

н

на 1кг н

2

о 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

15

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, состоящая из компонентов, обладающих различными физическими

свойствами,

в

пределах

которой

осуществляется

горение.

Образование

горючей смеси 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

16

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

17

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

о сновных

вида

передачи

т е п л а :

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

18

q =



(T

1

- T

2

)/S

где



- 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 =



к

·(T

1

– T

2

)

где



к

- коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м

2

К;

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.

19

Плотность теплового потока при передаче тепла излучением

q =



изл

·(T

1

– T

2

)

где



изл

- коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/м

2

К;

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.

Методические указания к решению задач

Исходные

данные

для

решения

задач

представлены

в

таблице

2

и

3,

и

выбираются по последней цифре шифра.

Задача 43

При плотности воздуха превышающей плотность газа избыточное давление в

сосуде будет отрицательным, т.е. сосуд будет находиться под разряжением

h

раз

, абсолютное значение которого равно геометрическому давлению

h

г

=gH(p

в

–p

г

)

гдеp

в

, p

г

– плотность воздуха и газа соответственно, кг/м

3

20

Пример

Определите разряжение в основании дымовой трубы, если высота трубы

Н=35

м,

температура

дыма

у

основанияt

д1

=

900ºС,

в

устьеt

д2

=

800ºС,

температура окружающего воздуха 20ºС, плотность воздуха p

во

=1,29 кг/м

3

,

плотность дыма р

до

=1,3 кг/м

3

.

Решение

Разряжение, создаваемое в основании дымовой трубы

h

раз

= -h

г

= gH(p

в

–p

г

)

1.

Определение средней температуры дыма по высоте трубы

t

ср

=(t

д1

+ t

д2

)/2 = (900+800)/2 = 850ºС

2.

Определение плотности воздуха и дыма

р

д

= р

до

/ (1+αt

д

)

р

в

= р

во

/ (1+αt

в

)

где α – коэффициент объемного расширения газа, равный 1/273, 1/К

р

д

= 1.3/ (1+850·1/273) = 0.35кг/м

3

р

в

= 1.29/ (1+20·1/273) = 1.2кг/м

3

3.

Определение разряжения, создаваемого в основании дымовой трубы

h

раз

= -h

г

= gH(p

в

–p

г

)

hраз = - 9.8·35(1.2–0.35) = -291.55Па

Задача 44

Пределы

существования

ламинарного

и

турбулентного

движения

определяются

критерием

Рейнольдса,

который

представляет

собой

соотношение сил инерции и сил внутреннего трения

Re = Wd

г

/υ

Где W – скорость движения газа, м/с;

d

г

– гидравлический диаметр канала, м

dг = 4F/П (F – площадь сечения , м

2

; П – периметр, м)

21

υ – коэффициент кинематической вязкости, м

2

/с

Установлено, что ламинарное движение имеет место при малых значениях

критерия Рейнольдса, а турбулентное при относительно высоких.

Если Re ˂ 2100 – поток ламинарен,

Re ˃ 2300 – турбулентен

Пример

Определите характер движения дымовых газов в дымоходе. Расход

дыма V

до

=1000 м

3

/ч, температура дыма t

Д

= 500ºС, сечение дымохода 0.3×0.5

м. Значение коэффициента кинематической вязкости: ʋ

д

= 87.1× 10

-6

м

2

/с.

Решение

1.

Определение гидравлического диаметра канала

Для прямоугольного сечения канала

dг = 4F/П = 2·0.3·0.5/0.3+0.5= 0.38м

2.

Определение

скорости

движения

дымовых

газов

при

нормальных

условиях

W

0

= V

0

/F, м/c

Где V – объем дыма, проходящего по дымоходу;

F – площадь сечения дымохода, м

2

.

W

0

= 1000/3600·0.3·0.5 = 1.85м/с

3.

Определение

скорости

движения

дымовых

газов

при

заданной

температуре дыма

W

t

= W

0

(1+αt

д

), м/с

W

t

= 1.85(1+500·1/273) = 5.24м/с

4.

Определение критерия Рейнольдса

Re = Wd

г

/υ

Re = 5.24·0.38/87.1× 10

-6

= 22887

Re> 2300 – характер движения дымовых газов в дымоходе турбулентный.

Задача 45, 46

Целью

расчета

горения

топлива

является

определение

расхода

воздуха,

количества и состава продуктов горения, температуры горения.

Последовательность расчета рекомендуется следующая:

22

1.Определение влажного состава топлива

x

вл

=

x

c

⋅

100

100

+

0, 124

⋅

W

Где

x

вл

- содержание компонента во влажном газе, %;

x

c

- содержание компонента в сухом газе, %;

0,124 – коэффициент пересчёта из единицы массы в единицу объёма;

W - влажность, г/м³.

2.Определение низшей теплотворной способности газа

Q

н

р

=127,7∙CO+108∙H

2

+358∙CH

4

+590∙C

2

H

4

+555∙C

2

H

2

+636∙C

2

H

6

+913∙C

3

H

8

+

+1185∙C

4

H

10

+234∙H

2

S+1465∙C

5

H

12

(кДж/м

3

)

3.Определение теоретического и действительного количества воздуха, состава

и количества продуктов сгорания.

Расход воздуха можно определять, как в объемных, так и в массовых

единицах. Определение расхода воздуха в объемных единицах при полном

горении на примере горения этана С

2

Н

6

С

2

Н

6

+3.5 О

2

=2СО

2

+3Н

2

О

Как следует из реакции, для сжигания 1 моля С

2

Н

6

требуется 3.5 моля О

2

, т.к.

1 моль любого газа занимает объем 22.4 м

3

, то для сжигания 22.4м

3

С

2

Н

6

потребуется3.5·22.4=78.4

м

3

О

2

,

следовательно

для

сжигания

1м

3

С

2

Н

6

потребуется 3.5м

3

О

2

. Воздух содержит 21% О

2

и 79% N

2

, т.е. содержание N

2

в

воздухе в 3.76 раз больше, чем О

2

. Расход воздуха для сжигания 1м

3

С

2

Н

6

составит 3.5 +3.5·3.76 = 16.66 м

3

Состав

и

количество

продуктов

сгорания

определяют

по

методу,

применяемому для определения расхода воздуха, При полном горении С

2

Н

6

образуется 2 моля СО

2

и 3 моля Н

2

О, следовательно, в продуктах сгорания

образуется 1·2 = 2м

3

СО

2

и 1·3 = 3м

3

Н

2

О. Кроме того, в продуктах сгорания

будет присутствовать N

2

, внесенный с воздухом, количество N

2

= 3.5·3.76 =

13.16м

3

.

Коэффициент расхода воздуха не влияет на количественный состав СО

2

и

Н

2

О в продуктах сгорания

Расчетная таблица

Топливо

Уравнения реакций

горения

Воздух, м

3

Продукты сгорания, м

3

23

Состав

Объем,

м

3

О

2

N

2

Всего

СO

2

H

2

O

N

2

О

2

Всего

n=1

n>1

%

4.

Составление материального баланса горения (для правильности

предыдущего расчета, невязка допускается не> 0,25%).

Материальный

баланс

представляет

собой

закон

сохранения

массы,

т.е.

количество веществ, вступающих в реакцию горения должно быть равно

количеству веществ полученных в результате горения.

CO

2

= CO

2

×M/22.4

где М – молярная масса СО

2

, кг

22.4 объем, занимаемый 1кмоль газа

5.

Определение начального теплосодержания продуктов сгорания

i

0

=

Q

н

р

+

i

в

⋅

V

в

V

п . г .

Гдеi

в

–энтальпия воздуха при температуре подогрева воздуха, кДж/м³;

(приложение 1),

V

в

- объём воздуха, необходимого для горения 1 м

3

топлива, м³/м³ (берется из

расчетной таблицы);

V

п.г.

- объём продуктов сгорания, получаемый при сжигании 1м

3

топлива, м³/м³

(берется из расчетной таблицы);

6.

Определение калориметрической температуры горения топлива

t

кал .

=

t

min

+

i

0

−

i

min

i

max

−

i

min

⋅

100 %,

0

C

,

Где

t

кал .

- калориметрическая температура горения, ºС;

t

min

- минимальная температура горения, принятая в расчете, ºС;

i

0

- начальное теплосодержание дымовых газов,кДж/м³;

i

min

,

i

max

- энтальпия дымовых газов при минимальной (min) и

максимальной (max) принятой температуре, кДж/м³.

Пример

Произвести полный расчет горения природного газа. Воздух,

24

подаваемый на горение предварительно подогревается в теплообменнике до

температуры t

в

= 450ºС. Коэффициент избытка воздуха n =1.1

Состав топлива, %

Газ

CH

4

C

2

H

4

H

2

CO

2

N

2

C

4

H

10

W г/м

3

Природный

94,

9

0,6

-

0,2

4,

1

0,2

15

1.

Определение влажного состава топлива

x

вл

=

x

c

⋅

100

100

+

0, 124

⋅

W

CH

4

вл

=94.9·100/ (100+0,124·15) =93.17 %

C

2

H

4

вл

=0.6·100/ (100+0,124·15) =0.59 %

CO

2

вл

=0.2·100/(100+0,124·15) =0.19 %

N

2

вл

=4.1·100/ (100+0,124·15) =4.03 %

C

4

H

10

вл

=0.2·100/ (100+0,124·15) =0.19 %

H

2

O=0.124·W·100/(100+0,124·W)= 0.124·15·100/(100+0,124·15) =1.83 %

Σ=100%

2.

Определение теплоты сгорания

Q

р

н

=127.7·CO+108·H

2

+358·CH

4

+590·C

2

H

4

+636·C

2

H

6

+913·C

3

H

8

+118·C

4

H

10

+146

5·C

5

H

12

+234·H

2

S+555·C

2

H

2

; кДж/м

3

Q

р

н

=358·93.17+590·0.59+118·0.19=33725.38 кДж/м

3

3.

Определение количества воздуха необходимого для горения топлива,

количества и состава продуктов горения

25

4.Материальный баланс

Поступило топливо 100м

3

в т.ч в кг.

Получено продуктов горения

1091.72м

3

CO

2

=0.19·44/22,4=0.37

CH

4

=93.17·16/22,4=66.55

N

2

=4.03·28/22,4=5.04

C

2

H

4

=0.59·28/22,4=0.74

С

4

Н

10

= 0.19·58/22.4 = 0.49

H

2

O=1.83·18/22,4=1.47

Σ=74.66 кг

O

2(В)

=208.29·32/22,4=297.56

N

2(В)

=783.15·28/22,4=978.94

Σ=1276.5 кг

Всего: 1351.16 кг.

CO

2

=95.3·44/22,4=187.2

H

2

O=190.3·18/22,4=152.92

N

2

=787.18·28/22,4=983.98

O

2

=18.94·32/22,4=27.06

Σ=1351.16 кг.

Невязка 0%

5.Определение начального теплосодержания дымовых газов

i

0

=

Q

н

р

+

i

в

⋅

V

в

V

п . г .

i

0

=(33725.38+602,05·9.91)/10.92=3634.77 кДж/м

3

Определение температуры горения топлива:

Принимаем t

1

=1900 °C, t

2

=2000 °C

Исходя из i

0

по приложению (2) определяем теплосодержание дымовых газов

при принятых температурах.

i

x

=(i

xt

·x%)/100

где: x% - процент содержания газа в продуктах сгорания;

i

xt

– теплосодержание газа при температуре

26

Топливо

Реакции горения

Воздух

Продукты горения

Сост

м

3

O

2

N

2

Всего

CO

2

H

2

O

N

2

O

2

Всего

CO

2

CH

4

N

2

C

2

H

4

C

4

H

10

0.19

93.17

4.03

0.59

0.19

CH

4

+2O

2

=CO

2

+2H

2

O

C

2

H

4

+3O

2

=2CO

2

+2H

2

O

C

4

H

10

+6.5O

2

=4CO

2

+5H

2

O

-

186.34

-

1.77

1.24

3,76·O

2

O

2

+ N

2

0.19

93.17

-

1.18

0.76

-

186.34

-

1.18

0.95

N

2(Т)

+ N

2(В)

n=1

100

189.35

711.96

901.31

95.3

190.3

715.9

9

-

1001.59

n=1,1

100

208.29

783.1

5

991.44

95.3

190.3

787.1

8

18.94

1091.72

%

21

79

100

8.73

17.43

72.10

1.74

100

При температуре 1900 °C

iCO

2

=(4634,76·8.73)/100=404.61 кДж/м

3

iH

2

O=(3657,85·17.43)/100=637.56 кДж/м

3

iN

2

=(2808,22·72.10)/100=2024.72 кДж/м

3

iO

2

=(2971,30·1.74)/100=51.7 кДж/м

3

Σ=3118.59 кДж/м

3

Притемпературе 2000 °C

iCO

2

=(4910,51·8.73)/100=428.69 кДж/м

3

iH

2

O=(3889,72·17.43)/100=677.59 кДж/м3

iN

2

=(2970,25·72.10)/100=2141.55 кДж/м

3

iO

2

=(3142,76·1.74)/100=54.68 кДж/м

3

Σ=3302.51 кДж/м

3

Калориметрическая температура горения топлива

t

кал .

=

t

min

+

i

0

−

i

min

i

max

−

i

min

⋅

100 ,

0

C

t

кал

=2000+(3634.77-3118.59)/(3302.51-3118.59)·100=2281°C

27

Контрольная работа 1

1.

Газы идеальные и реальные. Основные параметры, характеризующие

газ и их зависимость от температуры

2.

Причины,

вызывающие

движение

газа.

Свободное

и

вынужденное

движение

3.

Ламинарное и турбулентное движение газов. Критерий, определяющий

характер движения

4.

Статика газов. Основное уравнение статики

5.

Распределение избыточных давлений на стенки сосуда, заполненного

горячим газом при условии, что он открыт сверху

6.

Распределение избыточных давлений на стенки сосуда, заполненного

горячим газом при условии, что он открыт снизу

7.

Факторы, влияющие на величину давления в рабочем пространстве

печи. Рациональный режим давления в печи

8.

Динамика газов. Основное уравнение

9.

Уравнение Бернулли и его применение для расчета истечения газов

через насадки и отверстия

10.

Уравнение Бернулли и его применение для расчета высоты дымовой

трубы

11.

Устройства,

обеспечивающие

создание

потока

газа,

истекающего

с

большой скоростью (простое сопло и сопло Лаваля)

12.

Истечение газов через сопло. Дозвуковое и сверхзвуковое движение

газов

13.

Струйные аппараты (эжекторы, вентиляторы), их характеристика

14.

Признаки

классификации

топлива.

Сравнительная

характеристика

различных видов топлива

15.

Основные виды газообразного топлива, применяемого для отопления

металлургических печей

16.

Характеристика процесса горения. Гомогенное и гетерогенное горение

17.

Горение

газообразного

топлива.

Горение

в

кинетической

и

диффузионной областях

18.

Горение жидкого топлива

19.

Горение твердого топлива. Роль летучих в процессе горения твердого

топлива

20.

Полное и неполное горение топлива. Влияние коэффициента избытка

воздуха на процесс горения

21.

Расчет горения топлива. Определение расхода воздуха на сжигание

единицы топлива

22.

Расчет горения топлива. Определение количества и состава продуктов

сгорания

получаемых

при

сжигании

единицы

топлива.

Влияние

коэффициента избытка воздуха на количественный и качественный состав

продуктов сгорания

23.

Определение

калориметрической

и

действительной

температуры

горения топлива. Значение энтальпии при определении калориметрической

температуры

24.

Инжекционные горелки. Назначение, устройство и принцип работы

25.

Двухпроводные горелки. Назначение, устройство и принцип работы

26.

Турбулентные горелки. Назначение, устройство и принцип работы

27.

Плоскопламенные горелки. Назначение, устройство и принцип работы

28.

Форсунки

низкого

давления.

Назначение,

устройство

и

принцип

работы

29.

Форсунки

высокого

давления.

Назначение,

устройство

и

принцип

работы

30.

Радиационные трубы. Назначение, устройство и принцип работы

31.

Виды теплообмена, их общая характеристика

32.

Передача тепла конвекцией. Виды конвективного теплообмена

33.

Стационарная

теплопроводность.

Значение

коэффициента

теплопередачи при решении задач стационарной теплопроводности

34.

Стационарная теплопроводность. Передача тепла через многослойную

стенку

35.

Нестационарная

теплопроводность.

Область

практического

применения

36.

Применение номограмм Будрина при решении задач нестационарной

теплопроводности

37.

Теплообмен излучением. Особенности теплового излучения

38.

Законы теплового излучения для абсолютно черного тела

39.

Законы теплового излучения для серых тел

40.

Теплообмен излучением между серыми поверхностями, разделенными

лучепрозрачной средой. Угловые коэффициенты и их взаимосвязь

41.

Особенности

теплового

излучения

газов.

Определение

степени

черноты газов с помощью номограмм

42.

Роль процессов теплопередачи при нагреве металла в топливных печах

Задачи

43.

Определить разряжение, создаваемое в основании дымовой трубы, если

высота трубы Н, м, температура дыма у основания t

д1

ºС, в устье t

д2

ºС,

температура окружающей среды t

в

,ºС, плотность воздуха p

во

=1,29 кг/м

3

,

плотность дыма р

до

, кг/м

3

.

44.

Определить характер движения дымовых газов в дымоходе. Расход

дыма

V

д о ,

м

3

/ч,

температура

дыма

t

Д

,ºС,

сечение

дымохода

а×б,

м.

Коэффициент кинематической вязкости ʋ

д

, м

2

/с.

45.

Произвести

полный

расчет

горения

природного

газа.

Воздух,

подаваемый на горение предварительно подогревается в теплообменнике до

температуры t

в

, ºС. Коэффициент избытка воздуха n.

46.

Произвести

полный

расчет

горения

природного

газа.

Воздух,

подаваемый на горение обогащен кислородом (содержание О

2

в воздухе 23%)

и

предварительно

подогрет

в

теплообменнике

до

температуры t

в

,

ºС.

Коэффициент избытка воздуха n.

Исходные данные для решения задач представлены в таблице 2

Таблица 2 – исходные данные для решения задач

№за

дачи

Парамет

р

Ед.

измер

ения

Последняя цифра шифра

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

43

Н

t

д1

t

д2

р

до

м

ºС

ºС

кг/м

3

33

950

900

1.29

65

1050

980

1.3

48

780

710

1.3

32

840

800

1.34

45

920

850

1.28

55

1000

930

1.29

39

870

810

1.32

42

900

860

1.3

34

680

600

1.28

41

700

610

1.31

44

V

до

t

д

а×б

ʋ

д

×10

-6

м

3

/ч

ºС

м×м

м

2

/с

1200

1000

0.5×1

174

2400

650

1×2

102

3000

720

1.1×2

113

1800

680

0.8×2

107

3200

750

1×3

122

3600

800

0.6×3

132

2800

850

1×3

142

2100

780

1×4

147

3200

690

0.4×2

122

2900

900

0.9×3

152

45

t

в

n

ºС

300

1.1

350

1.05

320

1.15

300

1.1

330

1.2

360

1.05

350

1.05

300

1.1

340

1.15

350

1.1

46

t

в

n

ºС

350

1.1

330

1.1

300

1.15

350

1.05

300

1.1

350

1.05

340

1.15

360

1.05

310

1.05

320

1.2

Таблица 3 – Состав природного газа

Последняя

цифра шифра

Состав сухого газа, %

влажность

W, г/м

3

СН

4

С

2

Н

6

С

3

Н

8

С

4

Н

10

С

5

Н

12

СО

2

N

2

0

95.1

2.3

0.7

0.4

0.8

0.2

0.5

15

1

93.4

2.1

1.2

-

0.3

0.3

2.7

25

2

86.9

6.0

1.6

1.3

-

1.4

2.8

25

3

93.0

3.1

0.7

0.6

-

0.1

2.5

15

4

95.1

1.1

-

0.4

-

0.6

2.8

15

5

93.3

4.0

0.6

-

0.5

0.3

1.3

30

6

93.2

2.1

1.2

1.0

1.2

0.8

0.5

30

7

98.7

0.33

0.12

-

0.05

0.1

0.7

25

8

98.3

0.33

0.12

-

-

0.25

1.0

15

9

87.9

2.5

1.0

0.5

-

0.1

8.0

15

Методические указания к контрольной работе 2

Контрольная работа 2 для специальности 22.02.05 Обработка металлов

давлением включает 3 теоретических вопроса и 3 задачи, для специальности

22.02.01

Металлургия

черных

металлов

–

4

теоретических

вопроса

и

2

задачи.

Таблица

4

–

выбор

варианта

контрольного

задания

2

для

специальности

22.02.05 Обработка металлов давлением

Предпоследн

я я

ц и ф р а

шифра

(десятки)

Последняя цифра шифра (единицы)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1,15,32

56,60,6

1

2,16,33

56,59,6

2

3,17,34

56,59,6

1

4,18,35

56,60,6

2

5,19,36

56,59,6

1

6,20,37

56,60,6

2

7,21,38

56,59,6

1

8,22,39

56,60,6

2

9,23,40

56,59,6

1

10,24,4

1

56,60,6

2

1

11,25,3

2

56,59,6

12,26,3

3

56,60,6

13,27,3

4

56,60,6

14,28,3

5

56,59,6

1,29,36

56,60,6

2

2,30,37

56,59,6

1

3,31,38

56,60,6

2

4,15,39

56,59,6

1

5,16,40

56,60,6

2

6,17,41

56,59,6

1

1

2

2

1

2

7 ,

1 8 ,

32

56,60,6

2

8,19,33

56,59,6

1

9,20,34

56,59,6

1

10,21,3

5

56,60,6

2

11,22,3

6

56,59,6

1

12,23,3

7

56,59,6

1

13,24,3

8

56,60,6

2

14,25,3

9

56,59,6

1

1,26,40

56,60,6

2

2,27,41

56,59,6

1

3

3,28,

41

56,60,6

2

4,29,40

56,59,6

1

5,30,39

56.60,6

2

6,31,38

56,59,6

1

7,15,37

56,59,6

1

8,16,36

56.60,6

2

9,17,35

56,59,6

1

10,18,3

4

56,60,6

2

11,19,3

3

56,59,6

1

12,20,3

2

56,60,6

2

4

13,21,3

2

56,60,6

2

14,22,3

3

56,60,6

2

1,23,34

56,60,6

2

2,24,35

56,59,6

1

3,25,36

56,60,6

2

4,26,37

56,59,6

1

5,27,38

56,60,6

2

6,28,39

56,59,6

1

7,29,40

56,60,6

2

8,30,41

56,59,6

1

5

9 ,

3 1 ,

41

56,59,6

1

10,15,4

0

56,60,6

2

11,16,3

9

56,59,6

1

12,17,3

8

56,59,6

1

13,18,3

7

56,60,6

2

14,19,3

6

56,59,6

1

1,20,35

56,60,6

2

2,21,34

56,59,6

1

3,22,33

56,60,6

2

4,23,32

56,59,6

1

6

5 ,

2 4 ,

32

56,59,6

1

6,25,33

56,60,6

2

7,26,34

56,60,6

2

8,27,35

56,59,6

1

9,28,36

56,59,6

1

10,29,3

7

56,60,6

2

11,30,3

8

56,59,6

1

12,31,3

9

56,60,6

2

13,15.4

0

56,59,6

1

14,16,4

1

56,60,6

2

7

1 ,

1 7 ,

41

56,60,6

2

2,18,40

56,59,6

1

3,19,39

56,59,6

1

4,20,38

56,60,6

2

5,21,37

56,60,6

2

6,22,36

56,59,6

1

7,23,35

56,60,6

2

8,24,34

56,59,6

1

9,25,33

56,60,6

2

10,26,3

2

56,59,6

1

8

11,27,3

2

56,59,6

1

12,28,3

3

56,60,6

2

19,29,3

4

56,60,6

2

14,30,3

5

56,59,6

1

1,31,36

56,59,6

1

2,15,37

56,60,6

2

3,16,38

56,59,6

1

4,17,39

56,60,6

2

5,18,40

56,59,6

1

6,19,41

56,60,6

2

9

7 ,

2 0 ,

41

56.60,6

2

8,21,40

56,59,6

1

9,22,39

56,59,6

1

10,23,3

8

56,60,6

2

11,24,3

7

56,60,6

2

12,25,3

6

56,59,6

1

13,26,3

5

56,60,6

2

14,27,3

4

56,59,6

1

1,28,33

56,60,6

2

2,29,31

56,59,6

1

Таблица

5

–

выбор

варианта

контрольного

задания

2

для

специальности

22.02.01 Металлургия черных металлов

Предпоследн

я я

ц и ф р а

шифра

(десятки)

Последняя цифра шифра (единицы)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1,15,32

42,56,57

2,16,33

43,56,58

3,17,34

44,56,57

4,18,35

45,56,58

5,19,36

46,56,57

6,20,37

47,56,58

7,21,38

48,56,57

8,22,39

49,56,58

9,33,40

50,56,57

10,24,41

51,56,58

1

11,25,32

52,56,58

12,26,33

53,56,57

1,27,34

54,56,58

2,28,35

55,56,57

3,29,36

42,56,58

4,30,37

43,56,57

5,31,38

44,56,58

6,15,39

45,56,57

7,16,40

46,56,58

8,17,41

47,56,5

7

2

9,18,32

48,56,57

10,19,37

49,56,58

11,20,39

50,56,57

12,21,38

51,56,58

1,22,40

52,56,57

2,23,41

53,56,58

3,24,33

54,56,57

4,25,35

55,56,58

5,26,36

42,56,57

6,27,34

43,56,5

8

3

7,28,32

44,56,58

8,29,34

45,56,57

9,30,36

46,56,58

10,31,35

47,56,57

11,15,37

48,56,58

12,16,39

49,56,57

1,17.38

50,56,58

2,18,40

51,56,58

3,19,41

52,56,57

4,20,33

53,56,5

8

4

5,21,32

54,56,57

6,22,35

55,56,58

7,23,34

42,56,57

8,24,38

43,56,58

9,25,36

44,56,57

10,26,40

45,56,58

11,27,41

46,56,57

12,28,37

47,56,58

1,29,33

48,56,57

2,30,39

49,56,5

8

5

3,31,32

50,56,58

4,15,39

51,56,57

5,16,40

52,56,58

6,17,34

53,56,57

7,18,37

54,56,58

8,19,33

55,56,57

9,20,38

42,56,58

10,21,36

43,56,57

11,22,41

44,56,58

12,23,3

5

45,56,5

7

6

1,24,32

46,56,57

2,25,37

47,56,58

3,26,35

48,56,57

4,27,39

49,56,58

5,28,34

50,56,57

6,29,36

51,56,58

7,30,40

52,56,57

8,31,41

53,56,58

9,15,33

54,56,57

10,16,3

8

55,56,5

8

7

11,17,32

42,56,58

12,18,39

43,56,57

1,19,41

44,56,58

2,20,33

45,56,57

3,21,37

46,56,58

4,22,34

47,56,57

5,23,35

48,56,58

6,24,36

49,56,57

7,25,38

50,56,58

8,26,40

51,56,5

7

8

9,27,32

52,56,57

10,28,41

53,56,58

11,29,40

54,56,57

12,30,35

55,56,58

1,31,36

42,56,57

2,15,37

43,56,58

3,16,34

44,56,57

4,17,38

45,56,58

5,18,39

46,56,57

6,19,33

47,56,5

8

9

7,20,32

48,56,58

8,21,35

49,56,57

9,22,37

50,56,58

10,23,40

51,56,57

11,24,34

52,56,58

12,25,39

53,56,57

1,26,41

54,56,58

2,27,36

55,56,57

3,28,34

42,56,58

4,29,33

43,56,5

7

Методические указания к контрольной работе 2

Раздел 4 Нагрев металла

Нагрев

металла

производят

либо

для

уменьшения

его

сопротивления

пластической деформации, либо для изменения кристаллической структуры.

В каждом из этих случаев условия протекания процесса нагрева оказывают

существенное влияние на качество конечного продукта.

4.1 Окисление и обезуглероживание металла

Окисление

металла

при

нагреве

в

печах

явление

крайне

нежелательное,

поскольку его следствием являются невозвратимые потери металла.

Окисление сплавов представляет собой процесс взаимодействия окисляющих

газов с их основой и легирующими элементами. Этот процесс определяется

не

только

скоро стью

протекания

химиче ских

реакций,

но

и

закономерностями

образования

оксидной

пленки,

которая

по

мере

роста

изолирует поверхность металла от воздействия окислительных газов.

При нагреве стали окисленный слой представляет собой окалину, которая

образуется

в

результате

диффузионного

процесса

окисления

железа

и

примесей, входящих в состав стали. Окалина состоит из окислов железа в

виде

соединений

Fe

2

0

3

,

Fe

3

0

4

и

FeO,

располагающихся

в

трех

слоях.

Наружный

ее

слой

Fe

2

0

3

-

гематит

составляет

примерно

2%

от

общей

толщины окалины, промежуточный слой Fe

3

0

4

- магнетит примерно 18%, а

внутренний FeO - вюстит - 80%.

Рисунок1 – Структура окалины

Образование окалины при нагреве приводит к потере годного металла.

При нормальной работе нагревательных устройств угар металла составляет

1-2% массы металла, а при неудовлетворительной их работе 4-5%. Если

учесть, что в процессе прокатки металл нагревается несколько раз, то можно

принять

угар

в

среднем

3-4%

от

массы

мет алла.

А кт и в н о е

окалинообразование при нагреве стали начинается при температуре около

700 °С и возрастает особенно быстро при температурах выше 900 °С.

На величину образования окалины, влияют:

- температура нагрева;

- атмосфера рабочего пространства нагревательного устройства;

- продолжительность нагрева;

- химический состав металла;

- форма и размеры нагреваемой заготовки.

При

нагреве

легированных

сталей

и

сплавов

окалинообразование

снижается

в

результате

наличия

Cr,

Ni,

Al,

Si

и

т.д.

Эти

легирующие

компоненты

образуют

плотную

пленку

окислов,

которая

препятствует

дальнейшему окислению металла.

Одновременно при нагреве металла происходит и обезуглероживание его

поверхностного слоя, представляющее процесс взаимодействия печных газов

с

углеродом

стали,

приводящее

к

уменьшению

содержания

углерода

в

поверхностном слое металла.

Глубина обезуглероженного слоя зависит:

- от содержания углерода в стали;

- температуры нагрева;

- продолжительности нагрева.

Углеродистые

стали

с

содержанием

углерода

до

0,30-0,40%

почти

не

обезуглероживаются,

а

с

содержанием

углерода

выше

0,40%

процесс

обезуглероживания

протекает

тем

интенсивнее,

чем

больше

содержание

углерода.

Повышение

температуры

и

продолжительности

нагрева

также

увеличивают глубину обезуглероженного слоя. Таким образом, на процесс

обезуглероживания влияют те же факторы, что и на окалинообразование.

4.2 Основы рациональной технологии нагрева металла

Важнейшими показателями процесса нагрева являются температура и

скорость нагрева.

Обработка металлов давлением требует такой температуры нагрева, при

которой

металл

обладает

необходимыми

пластическими

свойствами,

выбирают ее с учетом того, какая минимальная температура допустима в

конце обработки.

Выбрать рациональную технологию нагрева – это значить обеспечить

нагрев металла в оптимальных условиях с точки зрения интенсивности к

качеству нагрева. Комбинируя условия внешнего и внутреннего теплообмена,

можно разработать оптимальные условия нагрева, т.е. выбрать рациональную

технологию. На практике встречается одно- и многосторонний режим нагрева

металла,

в

некоторых

случаях

применяют

режимы

нагрева

в

несколько

ступеней:

одноступенчатый,

двухступенчатый,

многоступенчатый.

При

назначении

режимов

нагрева

металла

обычно

исходят

из

следующих

параметров:

температуры

и

скорости

нагрева,

времени

выдержки

при

постоянной температуре (томления).

При

назначении

температуры

нагрева,

как

правило,

верхний

предел

температуры

нагрева

ограничивается

явлениями

перегрева

и

пережога

и

устанавливается на 100-150 °С ниже точки плавления, а нижний предел -

температурой рекристаллизации, т.е. минимально допустимой температурой

конца прокатки. У некоторых сталей и сплавов температурный интервал

прокатки

достаточно

узкий,

ограниченный

различными

изменениями

в

структуре металла.

Скорость

нагрева

зависит

от

теплопроводности

металла.

Чем

выше

теплопроводность, тем выше скорость нагрева, и наоборот. Для сталей с

низкой теплопроводностью нагрев со слишком большими скоростями может

привести к образованию трещин в результате возникновения внутренних

напряжений из-за перепада температур между поверхностями и внутренними

слоями. Поэтому нагрев таких сталей следует вести медленно, особенно до

600-650 °С. При температуре нагрева выше 700 °С все стали можно нагревать

с

максимально

возможной

скоростью.

Большая

скорость

нагрева

обеспечивает

не

только

высокую

производительность

нагревательных

устройств, но и предотвращает образование некоторых дефектов.

4.3 Расчет нагрева металла

Основной целью расчета нагрева металла является определение времени

нагрева

до

заданной

температуры

при

условии

обеспечения

требуемой

равномерности нагрева по сечению.

В

большинстве

случаев

действительная

(геометрическая)

толщина

нагреваемой в печи заготовки не соответствует ее прогреваемой толщине,

вследствие того, что тепло подводится к металлу не с одной стороны, а с двух

или более.

Разделение тел в соответствии с их поведением при нагреве ведут не

только

по

их

геометрической

толщине,

но

и

по

тепловой

массивности,

которая зависит как от условий нагрева, так и от геометрических размеров.

Теплова

массивность

определяется

отношением

внешнего

теплового

сопротивления

к

внутреннему

тепловому

сопротивлению

металла,

т.е.

критерием Био (Bi). В соответствии с этим к термически тонким телам

относят тела для которых Bi˂0.25. При Bi>0.5 тела ведут себя как массивные.

Поскольку перепад температур по сечению тонкого тела мал,отпадает

необходимость

рассматривать

и

решать

задачу

о

распространении

тепла

внутри этого тела, расчет времени нагрева сводится к решению простого

уравнения, показывающего. Что все подведенное к поверхности нагреваемого

тонкого тела тепло расходуется на изменение его энтальпии.

τ

=

G

F

×

C

p

α

изл

×

ln

(

t

n

−

t

m

t

n

−

t

m

)

×

1

3 . 5

гдеG = h·b·l·p – масса находящегося в печи металла, кг;

F – поверхность металла, воспринимающая тепло, м

2

;

С

р

– средняя теплоемкость стали, кДж/кгК

Расчет нагрева термически массивных тел более сложен по сравнению с

расчетом

термически

тонких

тел.

Он

включает

не

только

определение

времени

нагрева

металла

до

конечной

температуры

поверхности

при

допустимой конечной разности температур по сечению, но и установление

допустимой

величины

плотности

теплового

потока

к

поверхности.

При

расчете нагрева массивных тел приходится учитывать распространение тепла

внутри нагреваемого металла.

Основой

расчета

нагрева

массивных

тел

является

решение

задач

теплопроводности

с

различными

граничными

условиями.

Решение

дифференциального уравнения теплопроводности обычно представляют в

виде критериального уравнения.

Ɵ = f(F

о

,Bi,X/S)

Решение этого уравнения для пластины и цилиндра представлено Д.В.

Будриным в графическом виде.

Методика расчета времени нагрева термически тонких и массивных тел

подробно изложена в учебнике [1], с102

Раздел 5 Материалы, применяемые при сооружении печей

5.1 Огнеупорные, теплоизоляционные, другие строительные материалы и

металлы, применяемые при сооружении печей

При

сооружении

металлургических

печей

наряду

с

обычными

строительными материалами применяются материалы, предназначенные для

работы при высоких температурах. Они (огнеупорные и теплоизоляционные

материалы) служат для отделения рабочей камеры печи от окружающего

пространства

и

ее

тепловой

изоляции.

Многочисленность

и

сложность

требований,

предъявляемых

к

огнеупорам,

их

широкое

применение,

обусловило создание большого числа огнеупорных материалов.

В основу классификации огнеупорных изделий положено четыре основных

признака: химико-минеральный состав, огнеупорность, способ изготовления,

форма и размеры.

Теплоизоляционные

материалы

делят

по

огнеупорности,

по

происхождению.

Огнеупорные

и

теплоизоляционные

материалы

хорошо

описаны

в

учебнике [1], с 153

Кроме огнеупорных и теплоизоляционных материалов применяют сталь и

чугун

для

изготовления

каркасов

и

печного

оборудования,

строительный

кирпич,

бутовый

камень,

бетон,

гидроизоляционные

материалы,

лаки

и

краски.

5.2 Кладка и строительные элементы печей

Футеровка является ответственной частью всех промышленных печей. От

ее

службы

зависит

надежность

работы

печи

и

длительность

кампании.

Элементами футеровки являются под, стены и свод.

Кладка должна быть, по возможности, непроницаемой для расплавленных

металлов и шлаков, а также для печных газов.

В зависимости от требуемой тщательности работы кладку разделяют на

категории,

для

каждой

из

которых

допустимая

толщина

шва

строго

регламентирована: особо тщательная, тщательная, обыкновенная, простая.

Рабочий слой футеровки в местах, где требуется наибольшая плотность,

выкладывают особенно тщательно со швами не более 0,5 мм. При кладке

боровов

допускается

шов

толщиной

не

более

5

мм,

а

при

наружной

облицовке

печи

красным

или

изоляционным

кирпичом

толщину

шва

принимают равной 8 – 10 мм. Кирпич в кладке может располагаться по

разному: на плашку, на торец или на ребро с обязательным смещением швов

(с перевязкой). Это делает кладку более устойчивой и плотной. Огнеупорный

слой кладки с теплоизоляционным обычно не перевязывают, так как они

имеют разные коэффициенты термического расширения, что при нагреве

кладки может привести к ее разрушению.

Для компенсации термического расширения кладки в ней предусматривают

температурные швы, размеры которых зависят от рабочей температуры и от

применяемого для кладки материала.

а – на плашку; б – на ребро; в – на торец; г – ложковая кладка; д – тычковая

кладка

Рисунок 2– Расположение кирпича в кладке

К строительным элементам печей относят: фундамент, каркас, кладку.

Фундамент

это

часть

сооружения,

которая

служит

для

передачи

силы

тяжести всего сооружения на грунт. По конструкции фундаменты можно

разделить на следующие группы:

- сплошные фундаменты, расположенные под всем сооружением;

-

ленточные

фундаменты,

расположенные

под

сооружениями

со

сплошными несущими стенами;

- одиночные фундаменты, в виде отдельных столбов.

Фундаменты под печи чаще делают сплошными и реже ленточными. При

сооружении фундаментов, подверженных воздействию высоких температур,

применяют

жаро стойкий

бетон,

возможно

также

в ы полне ние

теплоизоляционного

слоя

между

фундаментом

и

футеровкой

печи,

не

допускающего

повышение

температуры

фундамента

более

1200°С.

Фундаменты

печей

выполняют

бутовыми,

бутобетонными,

бетонными,

железобетонными.

Каркас предназначен для восприятия усилий, возникающих в футеровке

печи при ее нагреве, а также для несения всей арматуры, механизмов и

другого оборудования печи.

Каркасы бывают следующих типов:

-стоечного типа с гибкими (подвижными) связями;

- стоечного типа жесткой рамной конструкции.

Своды печей выполняют: арочными, купольными или подвесными. Арочные

своды

применяют

при

ширине

пролета

до

3

метров,

подвесные

своды

нагревательных

печей

применяют

при

ширине

пролета

более

3

метров,

купольные своды применяют для круглых печей. Соды плавильных печей

очень массивны, поэтому их выполняют распорно-подвесными.

6. Утилизация тепла в металлургических печах

6.1 Теплотехнические основы утилизации тепла отходящих дымовых газов

Утилизация тепла – вторичное использование тепла отходящих дымовых

газов.

Утилизация

тепла

отходящих

газов

может

быть

выполнена

принципиально двумя методами: с возвратом части тепла, отобранного у

дымовых газов, обратно в печь и без возврата этого тепла в печь.

Для осуществления первого метода необходимо тепло, отобранное у дыма,

передать

идущему

в

печь

воздуху.

Для

достижения

этой

цели

широко

используют

теплообменники

рекуперативного

и

регенеративного

типов,

применение которых позволяет повысить к.п.д печного агрегата, увеличить

температуру горения и сэкономить топливо.

Утилизация тепла дает возможность значительно повысить эффективность

работы печей, т.к. единица тепла, отобранная у дыма и вносимая в печь,

оказывается значительно ценнее единицы тепла, полученного в результате

сгорания топлива.

Эффективность утилизации теплоты уходящих газов оценивают степенью

рекуперации

(регенерации),

которая

показывает,

какую

долю

теплоты

уходящего

дыма

удается

возвратить

в

рабочее

пространство

с

нагретым

воздухом или топливом.

6.2 Рекуперативные,

регенеративные

теплообменники

и

котлы-

утилизаторы

Рекуператор – теплообменный аппарат, работающий в условиях близких к

стационарному

тепловому

состоянию,

в

котором

теплообмен

между

теплоносителями осуществляется непрерывно через разделяющую их стенку.

По

схеме

движения

горячего

и

холодного

теплоносителей

различают

рекуператоры прямоточные, противоточные и перекрестного тока.

По преобладающему виду теплоотдачи от дымовых газов рекуператоры

могут быть конвективными, радиационными и конвективно-радиационными.

В

зависимости

от

материала

стенки

–

керамические,

металлические

и

металлокерамические.

В конструктивном исполнении рекуператоры достаточно разнообразны

Конструкции

и

работа

рекуперативных

теплообменников

хорошо

разобраны в учебнике [1], с 221

Регенератор – теплообменный аппарат нестационарного режима работы, в

котором

теплота

передается

от

дымовых

газов

воздуху

или

топливу

с

помощью периодического нагрева и охлаждения огнеупорной насадки.

Регенератор представляет собой камеру,

заполненную многорядной

решеткой (насадкой), выложенной из огнеупорных кирпичей.

В работе регенератора различают два рабочих периода времени. В течение

первого периода через регенератор проходит горячий теплоноситель – дым,

который

нагревает

кирпичную

насадку,

это

дымовой

период.

В

течение

второго периода через регенератор пропускают холодный теплоноситель –

воздух или газообразное топливо, это период дутья. Насадка отдает ранее

аккумулированную теплоту, т.е. выполняет роль посредника в теплообмене

между дымом и воздухом (газом).

Движение газов в регенераторе противоточное, греющий и нагреваемый

газы проходят по одним и тем же каналам насадки, но в разные периоды

времени и в противоположном направлении.

Устройство

и

работа

котла-утилизатора

существенно

отличается

от

рассмотренных выше теплообменников. Котлы-утилизаторы применяют для

получения пара высокой температуры и давления за счет отвода тепла от

отходящих газов.

6.3 Охлаждение печей и очистка газов

Огнеупорная футеровка и ряд металлических деталей металлургических

печей

находятся

в

зонах

высоких

температур

(до

1600

-

1800ºС).

Для

обеспечения

надежной

работы

печей

применяется

принудительное

охлаждение

элементов

их

конструкций.

Для

водяного

охлаждения

печей

используют техническую воду. Различают прямоточную и оборотную схемы

водяного охлаждения печей.

В системах испарительного охлаждения (СИО) для отвода теплоты от

деталей холодная вода заменена кипящей, при этом используется в основном

скрытая

теплота

парообразования.

При

испарительном

охлаждении

снижается расход электроэнергии на подачу воды, отпадает необходимость в

сооружении

громоздких

дорогостоящих

водоводов,

насосных

станций,

градирен, бассейнов.

В отличие от водяного испарительное охлаждение предусматривает полное

согласование отвода теплоты с технологией работы печи.

При работе металлургических печей в атмосферу выбрасывается много

вредных

веществ,

таких

как

пыль,

дым,

газы.

Предельно

допустимые

концентрации вредных веществ в атмосфере промышленных предприятий

регламентируются

стандартами

и

основаны

на

санитарно-гигиенических

нормах. В задачу пылеулавливания входит создание условий для укрупнения

частиц за счет коагуляции и осаждения их в пылеулавливающем аппарате. В

схемах

пылеулавливания

применяют

две

или

более

ступеней

очистки.

В

первой ступени грубой очистки улавливаются крупные фракции пыли, вторая

– тонкая ступень очистки, улавливает мелкие фракции.

Методы очистки и аппараты по природе используемых в них сил делятся

на

механические

и

электрические.

Аппараты,

принцип

работы

которых

основан на механических методах очистки, разделяют на сухие и мокрые. К

аппаратам сухого типа относятся устройства, использующие гравитационно-

инерционные и фильтрационные принципы. Они наиболее распространены.

В

мокрых

пылеуловителях

используется

эффект

смачивания

частиц

в

результате столкновения с каплями или пленкой введенной жидкости.

Характеристика газоочистных устройств изложена в учебниках [1], с 256

7.

Металлургические печи и конвертеры

7.1 Классификация и общая характеристика тепловой работы печей

Топливные печи широко применяются в металлургическом производстве.

По технологическому назначению металлургические печи разделяют на

плавильные и нагревательные.

Плавильные печи служат для получения и переплавки металлов. В этих

печах материалы, как правило, изменяют свое агрегатное состояние.

Нагревательные печи служат для нагрева материалов без изменения их

агрегатного состояния. Нагревательные печи применяют в металлургии для

обжига огнеупорных изделий, известняка, магнезита, для сушки материалов,

для придания металлу пластических свойств перед обработкой давлением,

для термической обработки металлов с целью изменения его структуры и

механических свойств.

По режиму работы печи можно разделить на два класса: непрерывного и

периодического (циклического) действия.

К

печам

непрерывного

действия

относятся

шахтные

слоевые

печи,

методические печи с шагающим подом и балками, кольцевые и роликовые

печи. В этих печах технологический процесс идет непрерывно.

К

печам

периодического

действия

относятся

сталеплавильные

печи.

Конвертеры, садочные камерные печи, применяемые в кузнечнопрессовом

производстве и в термических отделениях. Эти печи работают циклами.

По

принципу

теплогенерации

печи

делят

на:

топливные,

источником

получения

тепла

является

химическая

энергия

топлива;

бестопливные,

источником получения тепла является химическая энергия жидкого металла

или шихты; электрические, в основе работы лежит генерация тепла за счет

электроэнергии.

Работа

каждой

печи

характеризуется

рядом

показателей,

наиболее

важными

из

которых

являются

температурный

и

тепловой

режим,

коэффициент полезного теплоиспользования и производительность.

7.2 Топливные печи, конвертеры и электрические печи

При

изучении

темы

следует

обратить

внимание

на

конструктивные

особенности плавильных, нагревательных, термических печей; особенности

теплообмена.

Все виды металлургических печей хорошо разобраны в учебниках [1], с

292, [3], с 190.

7.3 Техническое обслуживание и ремонт печей

В процессе эксплуатации за печами должен быть обеспечен необходимый

уход

с

целью

увеличения

срока

службы

и

повышения

качества

работы.

Своевременно принятые меры по устранению отдельных неполадок – залог

эффективной работы.

Чтобы

не

нарушалась

работа

предприятия,

необходимо

планировать

ремонт оборудования, в том числе и печей. С этой целью осуществляется

система планово-предупредительных ремонтов.

Сущность системы планово-предупредительных ремонтов состоит в том,

что проведение ремонтов предусматривается не от случая к случаю, а в

плановом порядке, чем предотвращается внезапный выход печи из строя.

Ремонты

металлургических

печей

подразделяют

в

соответствии

с

их

назначением.

Так

ремонты

плавильных

печей

подразделяют

на

текущие

(профилактические) и капитальные; ремонты нагревательных и термических

печей на текущие (профилактические), средние и капитальные.

Материал этой темы изложен в учебнике [1], с 463.

Методические указания к решению задач

Задача 56

Передача тепла от более нагретого тела к менее нагретому телу через

разделительную стенку определяется при граничных условиях ɪɪ рода, т.е.

когда

плотность

теплового

потока,

проходящего

через

каждый

слой

одинакова.

Плотность теплового потока, передаваемого от внутренней поверхности

стенки

окружающей

среде

через

двухслойную

стенку.

Определяется

выражением

q

=

t

1

−

t

В

S

1

λ

1

+

S

2

λ

2

+

1

α

В

(

Вт

м

2

⋅

К

)

ГдеS

1

,S

2

– толщина первого и второго слоя, мм

λ

1

, λ

2

–коэффициент теплопроводности, Вт/м·К .

Т.к.

коэффициент

теплопроводности

определяется

при

средней

температуре по толщине слоя, то необходимо задаться температурами на

границе раздела двух слоев и наружной поверхности стенки. Правильность

принятых

температур

следует

проверить.

Проверка

принятых

температур

производится по формулам

t

2

=

t

1

−

q

⋅

S

1

λ

1

;

t

3

=

t

В

+

q

α

в

Пример

Определить поверхностную плотность теплового потока через плоскую

двухслойную

стенку

при

стационарном

режиме,

если

температура

внутренней поверхности стенки t

1

=1100ºC, температура окружающей средыt

в

= 30ºС. Толщина шамотной стенки S

1

= 0.232 м, толщина пенодиатомитового

слоя S

2

=0.232м.

Решение

1.

Определение средней температуры слов стенки

Принимаем температуру поверхности слоев в первом приближении

t

2

=982

º

С,t

3

=74

º

С

Средние температуры слоев кладки

для шамота; t

ш

=( t

1

+t

2

)/2 =(1100+982)/2 =1041

º

С.

для диатомита t

пд

= (t

2

+t

3

)/2 = 982+74)/2 = 528

º

С.

2.

Определение коэффициента теплопроводности

Коэффициент теплопроводности шамотного и пенодиатомитового кирпича

заимствуется из приложения [2], с366.

λ

1

=

0. 7

+

0 . 00064

⋅

t

ш

=

0 .7

+

0. 00064

⋅

1041

=

1. 37 Вт

/

мК

λ

2

=

0. 093

+

0. 0002

⋅

t

пд

=

0 . 093

+

0 . 0002

⋅

528

=

0. 2 Вт

/

мК

3.

Определение

коэффициента

теплоотдачи

от

наружной

поверхности

стенки в окружающую среду при свободной конвекции

α

в

= 10+0.06·t

3

Вт/м

2

К

Рисунок 3 – распределение температур по толщине стенки

α

в

= 10+0.06·74 = 14.44 Вт/м

2

К

4.

Определение плотности теплового потока через двухслойную стенку

q

=

t

1

−

t

В

S

1

λ

1

+

S

2

λ

2

+

1

α

В

Вт/м

2

q==

1100

−

30

0. 232

1 . 37

+

0 . 232

0 . 2

+

1

14 . 44

=

765

Вт/м

2

5. Проверка температур, принятых в первом приближении на границе слоев и

наружной поверхности кладки

t

2

=

t

1

−

q

⋅

S

1

λ

1

=

1100

−

765

⋅

0 . 232

1. 37

=

970

º

С

t

3

=

t

В

+

q

α

в

=

30

+

765

14 . 44

=

74

º

С

Если перепад температур превышает ±20

º

С между принятой температурой в

расчёте

и

полученной

при

проверке,

то

задачу

следует

решить

заново,

задавшись температурами, полученными при проверке.

Задача 57, 58

Степень черноты газов зависит от температуры газа, его парциального

давления и средней длины луча.

ε

г

=

f

(

Т , P

⋅

S

эф

)

где: S

эф

– средняя длина луча, м

S

эф

=

0 . 9

4 V

F

;

м.

где: V – объем заполненный излучающим газом, м

3

.

F – поверхность стен, ограничивающих этот объем, м

3

.

Парциальное

давление

газов

определяется

на

основе

процентного

содержания

газов,

обладающих

излучательной

способностью,

в

составе

печной атмосферы. Так, если в продуктах сгорания содержится 10%СО

2

и

15% Н

2

О, то парциальные давления соответственно составят

P

CO

2

- 0.1 атм.

(10 кПа);

P

H

2

O

- 0,15 атм. (15 кПа).

Для определения степени черноты газов Ɛ

СО2

, Ɛ

Н2О

икоэффициента β

пользуются графиком [2], стр.50

ε

г

=

ε

CO

2

+

ε

H

2

O

·β

Количество тепловой энергии, которое излучает газ на 1 м

2

окружающей его

поверхности определяется из выражения:

q

0

=

ε

г

⋅

C

0

(

T

г

100

)

4

Где C

0

=5,7 Вт/м

2

·К

4

– коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела

Пример

Определить

количество

тепловой

энергии,

излучаемой

раскаленными

дымовыми газами в печи размером L



8



3



1.0 м при температуре t

г

=1450

0

С. Состав дымовых газов: 10%СО

2

, 17%Н

2

О, 1,5%О

2

, 71,5%N

2

Решение

Количество тепла, которое излучает газ на 1м

2

окружающей его поверхности,

определяется из выражения

q=

ε

г

С

0

(

T

г

100

)

4

1.

Определение парциального давления газа

Парциальное давление P

СО2

=10 кПа

Парциальное давление P

Н2О

=17 кПа

2.

Определение эффективной длины луча

S

эф

=

0,9

4 V

F

Где V - объем заполненный излучающим газом, м

3

.

F - поверхность всех стенок, ограничивающих этот объем, м

2

.

V = L



8



3



1.0=24 м

2

F = L



2+



2+L



2



8



3



2+3



1



2+8



1



2=70 м

2

S

эф

=

0,9

4

×

24

70

=

1 . 23

м

3.

Определение концентрации газов

P

СО

2



S

эф

= 1.23



10=12.3 кПа·м

P

Н

2

О



S

эф

= 1.23



17=20.91 кПа·м

4.

Определение степени черноты по номограммам (приложение 3)

Ɛ

СО2

= 0.08 Ɛ

HО

2

= 0.12



= 1.09

5.

Определение степени черноты газа

Ɛ

г

= Ɛ

СО

2

+

Ɛ

HО

2





= 0.08+0.12



1.09 = 0.21

6.

Количество

тепловой

энергии,

излучаемой

раскаленными

дымовыми газами

q =

0. 21

×

5 . 7

׿

¿

(

1450

+

273

100

)

4

= 105495,82 Вт/ м

2

.

Задача 59, 60

Во всех высокотемпературных печах происходит теплообмен излучением и

конвекцией между газом, кладкой и металлом. Но поскольку доля конвекции

в этих печах невелика (10-5%), то решающим является тепловое излучение.

Коэффициент теплоотдачи излучением определяется по формуле

α

ИЗЛ

=

С

гкм

⋅

[

(

T

г

100

)

4

−

(

Т

ме

100

)

4

]

Т

г

−

Т

Ме

, Вт/м

2

·К

Где С

гкм

– приведенный коэффициент в системе трех тел газ-кладка-металл,

Вт/м

2

К

С

гкм

= Ɛ

ме

·С

0

·К, Вт/м

2

К

4

гдеƐ

ме

– степень черноты металла;

К – коэффициент, учитывающий степень развития кладки, степень черноты

металла и газа.

К

=

ω

+

1

−

ε

г

[

ε

Ме

+

ε

г

⋅(

1

−

ε

Ме

)]⋅

1

−

ε

г

ε

г

+

ω

Где ω – степень развития кладки,

ω

=

F

кл

F

Ме

F

кл

– поверхность кладки, участвующая в процессе теплообмена излучением,

м

2

F

ме

–

поверхность

металла,

участвующая

в

процессе

теплообмена

излучением, м

2

При

определении

коэффициента

теплоотдачи

излучением

наибольшие

затруднения

возникают

при

определении

площади

поверхности

металла,

участвующего в теплообмене.

Металл может располагаться на поду печи вплотную и с зазором.

а б

а – сплошная укладка

б – укладка с зазором

Рисунок 4 – Схема расположения заготовок на поду печи

В первом случае площадь поверхности металла определяется по формуле:

F

ме

=(L-1) ·ℓ+(L-1) ·h·2+ ℓ ·h·2, м

2

Поверхность

кладки,

участвующей

в

теплообмене,

определяется

по

формуле:

F

кл

=2·L·B+2·L·H+2·B·H-(L-1)·ℓ, м

2

где ℓ - длина заготовки, м;

L – длина печи, м;

h – геометрическая толщина заготовки, м;

B – ширина печи, м.

Если

заготовки

расположены

с

зазором

на

поду

печи,

то

площадь

поверхности металла определяется по формуле:

F

ме

=(b·h·2+b·ℓ+h·ℓ·2)·n, м

2

где n - число заготовок в печи, шт;

n

=

L

−

a

a

+

b

,

b – геометрическая ширина заготовки, м;

а - зазор между заготовками, 0,25 – 0,3 м.

Поверхность

кладки

участвующей

в

теплообмене,

определяется

по

формуле:

F

кл

=L·B·2+B·H·2+L·H·2-f·n,

Где f=ℓ·b – поверхность нижней грани заготовки, м

2

Пример

Металл

нагревается

в

топливной

проходной

печи,

состав

продуктов

сгорания в рабочем пространстве которой следующий: 10% СО

2

, 15% Н

2

О,

75% N

2

.Температура продуктов сгорания постоянна по длине печи и равнаt

г

=

1300ºС, температура металла t

ме

= 1200ºС. Рабочее пространство печи имеет

размеры L×B×H= 12×3×1, м. Металл расположен на поду сплошным слоем.

Степень черноты металла Ɛ

ме

= 0.8. Рассчитать средний за время нагрева

коэффициент теплоотдачи излучением.

Решение

Средний за время нагрева коэффициент теплоотдачи излучением

определяется по формуле

α

ИЗЛ

=

С

гкм

⋅

[

(

t

1

+

273

100

)

4

−

(

t

2

+

273

100

)

4

]

t

1

−

t

2

, Вт/м

2

К

1.

Определение парциального давления газа

Парциальное давление P

СО2

=10 кПа

Парциальное давление P

Н2О

=15 кПа

2.

Определение эффективной длины луча

S

эф

=

0,9

4 V

F

Где V - объем заполненный излучающим газом, м

3

.

F - поверхность всех стенок, ограничивающих этот объем, м

2

.

V = L



12



3



1.0=36 м

2

F = L



2+



2+L



2



12



3



2+3



1



2+12



1



2=102 м

2

S

эф

=

0 . 9

4

×

36

102

=

1 . 41

м

3.

Определение концентрации газов

P

СО

2



S

эф

= 0.1



1.41= 0.14 атм



м

P

Н

2

О



S

эф

= 0.15



1.41=0.21атм



м

4.

Определение

степени

черноты

газов

по

номограмме

при

температуре печи t

п

=1300°С, [2], с 50

ε

CO

2

=

0 . 095

ε

H

2

O

=

0. 135

β=1.09

5.

Степень черноты газов

ε

г

=

ε

CO

2

+

ε

H

2

O

¿

β

=

0. 095

+

0. 135

⋅

1 . 09

=

0 . 24

6.

Определение степени развития кладки

ω

=

F

кл

F

Ме

гдеF

кл

- поверхность кладки, принимающая участие в процессе теплообмена,

м

2

;

F

Ме

- поверхность металла, участвующая в процессе теплообмена.

F

кл

=2LB+2LH+2BH-(L-1) ·l= 2·12·3+2·12·1+2·3·1-(12-1)·2=80м

2

F

Ме

=(L-1) ·l+(L-1) ·h·2+l·h·2=(12-1) ·2+(12-1) ·0.1·2+2·0.1·2=24.6м

2

ω

=

80

24 . 6

=

3, 25

7.

Определение коэффициента К

К

=

ω

+

1

−

ε

г

[

ε

Ме

+

ε

г

⋅(

1

−

ε

Ме

) ]⋅

1

−

ε

г

ε

г

+

ω

ГдеƐме– степень черноты металла, принимаем равной 0.8

К

=

3. 25

+

1

−

0 . 24

[

0. 8

+

0. 24

⋅(

1

−

0 . 8

) ]⋅

1

−

0 . 24

0 . 24

+

3 . 25

=

0. 68

8.

Определение приведенного коэффициента в системе газ-кладка-металл

С

гкм

=Ɛ

Ме

·С

0

·К=0.8·5.7·0.68=3.1

9.

Коэффициент теплоотдачи излучением

α

ИЗЛ

=

С

гкм

⋅

[

(

t

1

+

273

100

)

4

−

(

t

2

+

273

100

)

4

]

t

1

−

t

2

Вт/м

2

К

Где t

1

– температура печи,ºС

t

2

– температура металла,ºС

Если температура печи и металла меняется, в расчет берется средняя

температура

α

ИЗЛ

=

3. 1

⋅

[

(

1300

+

273

100

)

4

−

(

1200

+

273

100

)

4

]

1300

−

1200

=

438 .5 Вт

/

м

2

К

Задача 61

Теоретической базой разработки методов расчета нагрева металла является

решение уравнения теплопроводности при краевых условиях третьего рода.

Выбор методика расчета времени нагрева металла определяется величиной

критерия Био (Bi).

Если критерий Bi<0,25, то тело считается «тонким» и время нагрева

определяется по выражению:

τ

=

0, 638

S

⋅

g

⋅

C

К

⋅

a

∑

¿

⋅

lg

t

п

−

t

мет

кон

t

п

−

t

мет

нач

¿

,

Где К- коэффициент формы, (для пластины К=1; для цилиндра К=2; для шара

К=3);

С - теплоёмкость металла, кДж/кг·К;

S – расчетная толщина металла, м;

g – вес одной заготовки, кг.g=ℓ·b·h·p

Если Bi>0,25, то тело считается «массивным» и время нагрева определяется с

использованием номограмм Будрина.

По номограмме определяется временной критерий Фурье Fo, находящийся в

функциональной зависимости от критерия массивностиBi и температурного

критерия поверхности Ɵ

пов.

При

определении Bi , а затем и времени нагрева. Необходимо правильно

определить расчетную толщину нагреваемой заготовки

При двустороннем нагреве в качестве расчетной толщины надо принимать

половину истинной (геометрической0 толщины. При одностороннем нагреве

в

расчете

необходимо

учитывать

полную

толщину

з а гото в к и .

Теплопроводность металла следует находить по средней его температуре за

весь

период

нагрева.

Теплоемкость

металла

принимают

по

конечной

температуре нагрева металла.

Для

определения

значенияFo

и з

т о ч к и

н а

ординате,

соответствующей

найденному значению Ɵ

пов

, проводят горизонтальную линию до пересечения

с

линией Bi,

соответствующей

найденному

значению

этого

критерия.Из

полученной

таким

образом

точки

пересечения

двух

линий

опускают

перпендикуляр и на абсциссе находят искомое значение F

0

, из которого по

формуле определяют время нагрева металла

τ

=

F

0

⋅

S

2

a

, с;

Пример

Определить

время

нагрева

металла

для

заготовки

сечением l×b×h

=

2.6×0.24×0.24 м, изготовленной из среднеуглеродистой стали, температура

металла при посаде в печь t

н

=20°С, температура нагрева металла t

к

= 1000°С.

Металл греется в печи с температурой

t

п

= 1250°С. Укладка металла сплошная, нагрев односторонний, коэффициент

теплоотдачи α = 260 Вт/(м

2

К).

Решение

1.

Средняя температура металла за период нагрева

t

м

=

t

м

нач

+

t

м

кон

2

=

20

+

1000

2

=

510

0

С

2.

Расчетная толщина металла

При сплошной укладке и одностороннем режиме нагрева S = h =0.24 м

3.

Определение степени массивности нагреваемого тела

Bi =



S/



,

где



- средний коэффициент теплоотдачи излучения, Вт/(м

2·

К)



- коэффициент теплопроводности стали, Вт/(м·К)

При средней температуре металла t

м

=510



С, коэффициент теплопроводности

среднеуглеродистой стали



= 38.77 Вт/(м·К)

S – расчетная толщина нагреваемого металла, м.

Bi = 260



0.24/38.77 = 1.61

Т.к.Bi>0.25 нагреваемое тело считается термически «массивным», и время

нагрева металла определяется по номограммам Будрина (приложение 4) через

временной критерий Фурье.

4.

Температурный критерий поверхности металла



пов

= (t

п

– t

к

)/ /(t

п

– t

н

) = (1250-1000)/(1250-20) = 0.2

5.

Критерий Фурье для поверхности плиты по номограмме Будрина

Fо = f(Вi,



пов

);

где



пов

– температурный критерий поверхности.

Fо = 1.2

6.

Продолжительность нагрева массивного тела



= Fо×S

2

/а,

где а – коэффициент температуропроводности, м

2

/с

Для

среднеуглеродистой

стали

при

температуре t

м

= 510°С, коэффициент

температуропроводности а = 7.64



10

-6

м

2

/с.



= 1.2



0,24

2

/7.64



10

-6

= 9047.12 с (2.51ч).

7.

Температура центра плиты к концу нагрева

Температура центра металла определяется через температурный критерий

центра по номограмме Будрина (приложение 4)



ц

= f(Вi, Fо);



ц

= 0.32

Температура центра металла в конце нагрева

t

ц

= t

п

-



ц

(t

п

– t

н

) = 1250 – 0.32(1250 – 20) = 856.4 °С

Задача 62

Температура

поверхности

и

центра

заготовок

определяется

через

температурный критерий поверхности и температурный критерий центра.

θ

пов

=

t

п

−

t

пов . м

кон

t

п

−

t

пов . м

нач

θ

центр

=

t

п

−

t

центр . м

кон

t

п

−

t

центр . м

нач

, откуда

t

пов

кон

=

t

п

−

θ

пов

(

t

п

−

t

пов

нач

)

t

центр

кон

=

t

п

−

θ

центр

(

t

п

−

t

центр

нач

)

Температурный

критерий

поверхности

и

центра

определяются

по

номограмме Будрина.

θ

пов ,центр

=

f

(

Bi , Fo

)

Пример

Стальные

изделия,

имеющие

форму

цилиндра,

диаметром d

=

0.4мм,

с

начальной температурой t

н

= 0

0

С, нагреваются в печи с температурой

t

п

= 1100

0

С. Определить температуру поверхности и центра заготовок через



= 0.8 час, если они изготовлены из высокоуглеродистой стали, коэффициент

теплоотдачи от дымовых газов к заготовкам



= 320 Вт/ м

2

К.

Решение

1.

Определение температурного критерия Фурье

Fo

=

a

×

τ

S

2

где



- время нагрева, сек.

а – коэффициент температуропроводности, м

2

/сек

S – расчетная толщина металла, м

Fo

=

0 . 8

×

3600

×

1. 194

10

6

×(

0. 2

)

2

=

0 . 09

2.

Определение критерия Био

Bi

=

α

×

S

λ

Где λ – коэффициент теплопроводности стали, Вт/м·К

Bi

=

320

×

0 . 2

49 . 2

=

1 . 3

3.

Определение температурного критерия поверхности и центра по

номограммам Будрина

θ

пов

= 0,6

θ

центр

= 0,92

4.

Определение температуры поверхности и центра металла через

0.8 часа

t

пов

кон

=

1100

−

0 . 6

(

1100

−

0

)

=

440

0

C

t

центр

кон

=

1100

−

0. 92

(

1100

−

0

)

=

88

0

C

Контрольная работа 2

1.

Основные

параметры,

характеризующие

процесс

нагрева

металла

в

печах и процессы, протекающие внутри нагреваемого металла

2.

Основные положения рациональной технологии нагрева металла

3.

Нежелательные

явления,

сопровождающие

процесс

нагрева

металла

(перегрев, пережог)

4.

Окисление стали при нагреве, структура окалины. Меры защиты от

окисления

5.

Обезуглероживание стали при нагреве. Защита от обезуглероживания

6.

Режим нагрева металла в печах при холодном посаде

7.

Режим нагрева металла в печах при горячем посаде

8.

Термическая массивность тела. Физический смысл критерия Био и его

значение при расчете времени нагрева металла

9.

Зависимость скорости нагрева металла от размеров заготовки, марки

стали и способа укладки металла на поду печи

10.

Окалинообразование.

Факторы,

влияющие

на

скорость

образования

окалины

11.

Методы скоростного нагрева металла, его преимущества по сравнению

с другими методами нагрева

12.

Зависимость температуры нагрева металла от марки стали. Влияние

правильного

выбора

температуры

нагрева

на

получение

качественного

проката

13.

Методика расчета времени нагрева термически «тонких» тел

14.

Методика расчета времени нагрева термически «массивных» тел

15.

Назначение и классификация огнеупорных материалов

16.

Кремнеземистые

огнеупорные

материалы.

Технология

производства,

свойства и область применения

17.

Шамотные

огнеупорные

материалы.

Технология

производства,

свойства и область применения

18.

Классификация

магнийсодержащих

огнеупоров.

Технология

производства, свойства и область применения

19.

Доломитовые огнеупоры. Технология производства, свойства и область

применения

20.

Форстеритовые

огнеупоры.

Технология

производства,

свойства

и

область применения

21.

Магнезитохромитовые огнеупоры. Технология производства, свойства

и область применения

22.

Углеродсодержащие огнеупоры. Технология производства, свойства и

область применения

23.

Огнеупорные растворы и набивочные массы

24.

Методы кладки элементов футеровки печей. Контроль качества

25.

Строительные материалы, применяемые в печестроении

26.

Теплоизоляционные материалы. Назначение и классификация

27.

Искусственные

теплоизоляционные

материалы.

Технология

производства, свойства и область применения

28.

Металлы, применяемые в печестроении, их свойства

29.

Строительные материалы применяемые при сооружении печей

30.

Строительные элементы печей (фундаменты, каркасы).

31.

Порядок работ при сооружении печей

32.

Утилизация тепла. Возможные методы утилизации тепла отходящих

дымовых газов

33.

Значение утилизации для повышения эффективности работы печей.

Сравнительная характеристика рекуперативного и регенеративного методов

утилизации тепла

34.

Регенеративный теплообменник. Устройство и принцип работы

35.

Устройство

и

принцип

работы

металлического

трубчатого

рекуператора. Преимущества и недостатки в сравнении с керамическими

рекуператорами

36.

Устройство

и

принцип

работы

керамического

рекуператора.

Преимущества и недостатки в сравнении с металлическими рекуператорами

37.

Устройство

и

принцип

работы

металлического

игольчатого

рекуператора. Преимущества и недостатки.

38.

Схемы движения теплоносителей в рекуперативных теплообменниках.

Достоинства и недостатки

39.

Строение и особенности работы воздухонагревателей доменных печей

40.

Назначение,

устройство

и

принцип

работы

котла-утилизатора

кислородного конвертера

41.

Теплообмен в регенеративных теплообменниках. Виды регенеративных

насадок

42.

Мокрая очистка газов

43.

Сухая очистка газов

44.

Очистка газов доменного производства

45.

Система газоочистки конвертерных газов

46.

Х а р а к т е р и с т и к а

з а п ы л е н н о с т и

о т х о д я щ и х

г а з о в

электросталеплавильных печей. Схемы газоочисток

47.

Признаки

классификации

печей

применяемых

в

металлургическом

производстве

48.

Характеристика тепловой работы печей

49.

Общая характеристика теплообмена в пламенных печах

50.

Теплообмен в доменных печах

51.

Последовательность операций и мероприятия по технике безопасности

при пуске и разогреве печей

52.

Эксплуатация печей и уход за ними

53.

Техника безопасности при эксплуатации топливных печей

54.

Техника безопасности при эксплуатации электрических печей

55.

Виды планово-предупредительных ремонтов металлургических печей

Задачи

56.

Определить поверхностную плотность теплового потока через плоскую

двухслойную

стенку

при

стационарном

режиме,

если

температура

внутренней поверхности стенки t

1

ºC, температура окружающей среды

t

в

ºС. Толщина шамотной стенки S

1

м, толщина диатомового слоя S

2

м.

57.

Определить

степень

черноты

дымовых

газов,

заполняющих

печь

размером L



,

м при температуре t

г

0

С. Состав дымовых газов 11%СО

2

,

14%Н

2

О, 75%N

2.

58.

Определить количество тепловой энергии, излучаемой раскаленными

дымовыми газами в печи размером L



,

м при температуре t

г

0

С. Состав

дымовых газов: 8 %СО

2

, 14%Н

2

О, 1.5%О

2

, 76.5%N

2

59.

Металл

греется

в

проходной

топливной

печи.

Получаемые

при

сжигании топлива продукты сгорания имеют состав 9.5% СО

2

, 16.5% Н

2

О,

74%N

2

и температуру t

г

ºС. Начальная температура металла t

н

, ºС, температура

нагрева

металла

t

к

,

ºС.

Размеры

рабочего

пространства

печи

L×B×H,

м.

Металл расположен на поду печи всплошную, размеры заготовки l×b×h, м.

Степень черноты металла Ɛ

м

= 0.8. Рассчитать средний за время нагрева

коэффициент теплоотдачи излучением на металл.

60.

Металл

греется

в

камерной

печи

с

постоянной

температурой.

Температура

газа

в

печиt

г

ºС.Начальная

температура

металла

t

н

,

º С ,

температура нагрева металла t

к

, ºС. Размеры рабочего пространства печи

L×B×H, м. Металл расположен на поду печи с зазором, а = 1/2h. Размеры

заготовки l×b×h, м.; степень черноты металла Ɛ

м

= 0.8, степень черноты

дымовых

газов

Ɛ

г

.

Рассчитать

средний

за

время

нагрева

коэффициент

теплоотдачи излучением на металл.

6 1 . Определить

время

нагрева

металла

для

заготовки

сечением l×b×hм,

изготовленной из малоуглеродистой стали, температура металла при посаде в

печь t

н

°С, температура нагрева металла t

к

°С. Металл греется в методической

зоне

печи

с

температурой t

п

°С.

Укладка

металла

сплошная,

нагрев

двухсторонний, коэффициент теплоотдачи α Вт/(м

2

К).

62.

Стальные

изделия,

имеющие

форму

цилиндра,

диаметром dмм,

с

начальной температурой t

н

= 20

0

С, нагреваются в печи с температурой

t

п

0

С. Определить температуру поверхности и центра заготовок через



час,

если

они

изготовлены

из

малоуглеродистой

стали,

коэффициент

теплоотдачи от дымовых газов к заготовкам



Вт/ м

2

К.

Таблица 4 – Исходные данные для решения задач

№

Зада

чи

Пара

метр

Ед.

измерени

я

Последняя цифра шифра

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

56

t

1

S

1

S

2

t

в

°С

м

м

°С

1300

0.23

0.23

10

1450

0.46

0.23

15

1200

0.35

0.15

5

1350

0.23

0.23

25

1100

0.23

0.15

20

1250

0.35

0.15

20

1000

0.23

0.15

25

1300

0.46

0.23

30

1400

0.46

0.23

5

1260

0.35

0.15

10

57

L

B

H

t

г

м

м

м

°С

5

3

1.0

1400

12

4

1.5

1250

7

5

1.3

1000

4

2

1.2

1350

11

5

1.6

1200

8

3

1.5

800

9

4

1.4

950

6

3

1.0

1000

10

4

1.3

1100

9

3

1.2

1200

58

L

B

H

t

г

м

м

м

°С

8

3

1.1

1200

11

5

1.2

1350

12

6

1.0

1450

9

5

1.2

950

10

4

1.3

1300

7

3

1.5

1300

11

4

1.1

1050

8

3

1.5

1100

9

4

1.4

850

12

5

1.0

900

59

t

г

t

н

t

к

L

°С

°С

°С

м

1300

200

1100

7

1300

250

1050

10

1400

320

1200

12

1350

150

1100

9

1450

200

1240

7

1300

350

1200

10

1250

300

1100

6

1350

220

1050

9

1400

250

1200

8

1300

300

1050

10

B

H

l

b

h

м

м

м

м

м

3

1.2

2.5

0.2

0.2

4

1.1

3.6

0.25

0.2

6

1.0

5.5

0.25

0.2

5

1.5

4.2

0.3

0.3

4

1.3

3.1

0.21

0.21

5

1.2

4.3

0.26

0.26

3

1.5

2.1

0.24

0.24

4

1.0

3.4

0.2

0.2

4

1.5

3.1

0.28

0.22

5

1.0

4.3

0.36

0.3

60

t

г

t

н

t

к

L

B

H

l

b

h

Ɛ

г

°С

°С

°С

м

м

м

м

м

м

1350

20

1100

9

5

1.5

4.2

0.3

0.3

0.21

1400

20

1200

8

4

1.5

3.1

0.28

0.22

0.32

1300

20

1050

10

4

1.1

3.6

0.35

0.3

0.29

1300

0

1050

10

5

1.0

4.3

0.36

0.3

0.25

1300

20

1100

7

3

1.2

2.5

0.2

0.2

0.35

1350

0

1150

9

4

1.0

3.4

0.2

0.2

0.23

1450

20

1260

7

4

1.3

3.1

0.22

0.22

0.32

1350

20

1150

9

5

1.5

4.2

0.36

0.3

0.24

1300

20

1080

10

4

1.1

3.6

0.4

0.3

0.26

1310

0

1120

10

5

1.2

4.3

0.25

0.25

0.3

61

t

п

t

н

t

к

l

b

h

°С

°С

°С

м

м

м

1300

20

1050

3.6

0.35

0.3

312

1450

20

1260

3.1

0.22

0.22

380

1300

50

1050

3.6

0.25

0.2

285

1350

20

1150

3.4

0.2

0.2

320

1400

0

1200

3.5

0.2

0.2

420

1300

20

1180

4.6

0.3

0.28

290

1400

50

1250

2.5

0.25

0.25

450

1450

0

1280

2.1

0.36

0.3

480

1320

20

1150

2.5

0.25

0.2

360

1340

20

1160

4.1

0.32

0.26

320

62

t

п

d

τ

α

°С

м

час

Вт/м

2

К

1150

0.48

1.5

320

800

0.4

2.0

190

950

0.2

0.5

210

900

0.24

1.2

200

1000

0.36

1.6

290

1100

0.24

0.8

305

1150

0.4

0.9

320

950

0.28

1.3

260

1000

0.24

1.4

280

1100

0.36

1.7

310

Библиография

1.

Ващенко А.И. Глинков М.А. «Металлургические печи. Часть II» -М.;

Металлургия, 2004г.

2.

Китаев Б.И. Зобнин Б.Ф. и другие: «Теплотехнические расчёты

металлургических печей.» М.; Металлургия, 2008г.

3.

Кривандин В.А. Филимонов Ю.П. «Теория, конструкция и расчёты

металлургических печей» том 1. М.; Металлургия, 1986г.

4.

Мастрюков Б.С. «Теория, конструкции и расчёты металлургических

печей» - М.; Металлургия, 1986г.

5.

Кривандин В.А. , Арутюнов Б.С. и др. Металлургическая

теплотехника Теоретическиеосновы том 1 М.; Металлургия, 1986г

6.

Кривандин В.А. ,Неведомская И.Н. и др. Металлургическая

теплотехника Конструкция и работа печей том 2 М.; Металлургия, 1986г

Приложение 1

Номограммы для определения степени черноты газов

Номограмма для расчета времени нагрева (охлаждения) поверхности плиты

Номограмма для расчета времени нагрева (охлаждения) центра плиты