«ФГБОУ ВПО ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет Химико-металлургический Кафедра Металлургии цветных металлов УТВЕРЖДАЮ Проректор по учебной работе _Н.А. Буглов 20 г. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА ...»

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО

«ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет Химико-металлургический

Кафедра Металлургии цветных металлов

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе _Н.А. Буглов ""20 г.

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

(рабочая учебная программа дисциплины) Направление подготовки: 150400 «Металлургия»

Профиль подготовки: 150400.62 «Металлургия цветных, редких и благородных металлов»

Квалификация (степень) бакалавр Форма обучения очная Составитель программы:

Кузьмина Марина Юрьевна доцент кафедры металлургии цветных металлов, кандидат химических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Иркутск 20 г.

1 Информация из ФГОС, относящаяся к дисциплине 1.1 Вид деятельности выпускника Дисциплина охватывает круг вопросов относящиеся к виду деятельности выпускника:

– производственно-технологическая деятельность;

– научно-исследовательская;

– проектная деятельность.

1.2 Задачи профессиональной деятельности выпускника В дисциплине рассматриваются указанные в ФГОС задачи профессиональной деятельности выпускника.

Производственно-технологическая деятельность:

– осуществление технологических процессов переработки минерального природного и техногенного сырья;

– осуществление технологических процессов получения и обработки металлов и сплавов, а также изделий из них;

– выполнение мероприятий по обеспечению качества продукции;

– организация обслуживания технологического оборудования.

Научно-исследовательская:

– проведение экспериментальных исследований;

– выполнение литературного и патентного поиска, подготовка технических отчетов, информационных обзоров, публикаций;

– изучение научно-технической информации, отечественного и зарубежного опыта по тематике исследования.

Проектная:

– конструирование и расчет элементов технологической оснастки;

– разработка проектной и рабочей технической документации.

1.3 Перечень компетенций, установленных ФГОС Освоение программы настоящей дисциплины позволит сформировать у обучающегося следующие компетенции:

Общекультурные компетенции (ОК):

– самостоятельно приобретать новые знания, используя современные образовательные и информационные технологии (ОК– 4);

– использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК–6);

– оформлять, представлять и докладывать результаты выполненной работы (ОК–13).

Профессиональные компетенции (ПК):

– уметь сочетать теорию и практику для решения инженерных задач (ПК– 4);

– уметь осуществлять выбор материалов для изделий различного назначения с учетом эксплуатационных требований и охраны окружающей среды (ПК–12);

– уметь выбирать методы исследования, планировать и проводить необходимые эксперименты, интерпретировать результаты и делать выводы (ПК–19);

– уметь использовать физико-математический аппарат для решения задач, возникающих в ходе профессиональной деятельности (ПК–20);

– уметь использовать основные понятия, законы и модели термодинамики, химической кинетики, переноса тепла и массы (ПК–21);

– уметь выполнять элементы проектов (ПК–23).

1.4 Перечень умений и знаний, установленных ФГОС После освоения программы настоящей дисциплины студент должен:

– основные этапы развития теплотехники и теплоэнергетики, её теоретических основ и пути совершенствования металлургических печей;

теплоэнергетики в России и в мире;

– основные положения и законы технической термодинамики и использовать их при расчёте термодинамических процессов производства металлов;

– основные понятия механики жидкостей и газов, теории тепломассообмена и использовать их при расчёте и конструировании печей;

– теплогенерацию за счёт химической энергии топлива, сырьевых материалов и электроэнергии;

– возможные пути оптимизации использования топливноэнергетических ресурсов;

– химизм основных пирометаллургических процессов, осуществляемых в металлургических печах;

– свойства огнеупоров, используемых для футеровки металлургических печей;

– принципы работы и особенности конструкции основных плавильных, нагревательных и сушильных печей, применяемых в чёрной и цветной металлургии;

– новые тепловые агрегаты и оборудование в металлургической промышленности;

– современные методы исследования различных типов печей;

– современные научные разработки в области совершенствования пирометаллургических процессов и аппаратуры цветной металлургии;

– пути совершенствования существующих и внедрение новых теплотехнических процессов;

– современные методы проектирования металлургических печей;

– современные направления в развитии теплотехники и теплоэнергетики предприятий цветной металлургии и пути защиты окружающей среды от вредных выбросов;

– основные закономерности процессов генерации и переноса теплоты, движения жидкости и газов применительно к технологическим агрегатам черной и цветной металлургии;

– основные закономерности химических и физико-химических процессов, процессов массопереноса применительно к технологическим процессам, агрегатам и оборудованию переработки (обогащения) минерального сырья, производства и обработки черных и цветных металлов;

– принципы основных технологических процессов производства и обработки черных и цветных металлов, устройства и оборудование для их осуществления;

– основные группы и классы современных материалов, их свойства и области применения, принципы выбора;

– пользоваться профессиональной терминологией;

– правильно формулировать и решать разнообразные прикладные задачи с использованием основных законов термодинамики и тепломассообмена;

– самостоятельно проводить простейший теплотехнический эксперимент и обрабатывать полученные данные;

металлургических процессов;

– рассчитывать и анализировать процессы горения топлива и тепловыделения, внешнего и внутреннего теплообмена в печах различного технологического назначения; выбирать рациональные температурные и тепловые режимы работы металлургических печей;

– самостоятельно приобретать новые знания, используя современные образовательные и информационные технологии;

– использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности;

– оформлять, представлять и докладывать результаты выполненной работы;

– сочетать теорию и практику для решения инженерных задач;

– осуществлять выбор материалов для изделий различного назначения с учетом эксплуатационных требований и охраны окружающей среды;

– выбирать методы исследования, планировать и проводить необходимые эксперименты, интерпретировать результаты и делать выводы;

– использовать физико-математический аппарат для решения задач, возникающих в ходе профессиональной деятельности;

– использовать основные понятия, законы и модели термодинамики, химической кинетики, переноса тепла и массы;

– выполнять элементы проектов;

– производить расчёты пирометаллургической аппаратуры, используя современные методы проектирования;

– выполнять чертежи деталей и элементов конструкций;

– ориентироваться в основных ресурсосберегающих технологиях получения металлов;

– использовать справочную литературу для выполнения расчетов;

– применять современное оборудование и приборы при решении практических задач;

– использовать полученные в результате изучения курса “Металлургическая теплотехника” знания для дальнейшего освоении других дисциплин;

владеть:

– методами работы на основных физических приборах;

– основными физико-химическими расчетами металлургических процессов;

– принципами выбора материалов для элементов конструкций и оборудования;

– навыками расчета и проектирования металлургических печей различного технологического назначения.

2 Цели и задачи освоения программы дисциплины “Металлургическая теплотехника” входит в профессиональный цикл дисциплин ФГОС ВПО по направлению подготовки “Металлургия” и занимает одно из центральных мест в подготовке бакалавров. Это обусловлено тем, что процессы получения, использования и переноса теплоты имеют место практически во всех технических устройствах и технологических процессах современной техники. Теплотехника – научная дисциплина и отрасль техники, охватывающая методы получения теплоты, преобразования её в другие виды энергии, распределения, транспортирования, использования теплоты с помощью тепловых машин, аппаратов и устройств. Производство чёрных и цветных металлов, лежащее в основе развития современной техники, связано с протеканием высокотемпературных, весьма энергоёмких процессов.

Развитие металлургии в целом, а также развитие различных её переделов всегда связано с совершенствованием существующих или внедрением новых теплотехнических процессов.

Все пирометаллургические процессы осуществляют в металлургических печах. В современном понимании печь – это тепловой агрегат, в котором происходит получение теплоты из того или иного вида энергии и передача её материалу, подвергаемому обработке. Таким образом, металлургические печи представляют собой технологический аппарат и энергетические устройство одновременно. Подавляющее большинство процессов, протекающих в печах, совершается при высоких температурах и связано с большими затратами тепловой энергии. Высокая энергоёмкость печных процессов делает металлургическую теплотехнику ответственной за энергетические показатели работы печей, на долю которых приходится очень большая часть энергии, расходуемой как в нашей стране, так и во всём мире в целом. Поэтому металлургическая теплотехника изучает не только теплофизические процессы, лежащие в основе работы металлургических печных агрегатов, но и вопросы, сопутствующие работе этих агрегатов, такие как использование вторичных энергоресурсов, охрана окружающей среды и другие.

Цель изучения дисциплины “Металлургическая теплотехника” заключается в освоении методов получения и преобразования теплоты, а также принципов действия и конструктивных особенностей тепловых агрегатов.

В состав целей изучения дисциплины также входят:

теплоэнергетики, её теоретических основ и тепловых агрегатов;

– изучение основных положений и законов технической термодинамики и их применение при анализе и расчёте различных термодинамических процессов металлургического производства;

– изучение основных положений теории тепломассообмена и их использование при решении прикладных задач;

– изучение основных теплофизических процессов, лежащих в основе работы металлургических печей;

– изучение принципов работы и особенностей конструкции основных плавильных, нагревательных и сушильных печей, применяемых в чёрной и цветной металлургии;

– изучение основ пирометаллургических производств и перспектив их развития в металлургии цветных металлов;

– изучение конструкции и принципа работы оборудования пирометаллургических цехов;

– изучение возможности совершенствования существующих и внедрения новых теплотехнических процессов;

– ознакомление с современными научными разработками в области совершенствования пирометаллургических процессов и аппаратуры цветной металлургии;

– изучение важнейших вопросов, сопутствующих работе металлургических печей, таких как использование вторичных энергоресурсов, очистка дымовых газов, охрана окружающей среды;

– формирование у студентов целостного научного мировоззрения, отвечающего современному уровню развития общества;

– привлечение студентов к самостоятельной творческой работе.

В состав основных задач изучения дисциплины входит:

– формирование у студентов понимания роли и задач курса “Металлургическая металлургической промышленности;

– всестороннее и глубокое изучение теплофизических основ и закономерностей работы металлургических печей на основании использования комплексной теории печей, базирующейся на закономерностях основных процессов: технологического, энергетического, аэромеханического, теплообменного и механического;

– подготовка бакалавров, владеющих навыками грамотной эксплуатации теплоэнергетического оборудования.

3 Место дисциплины в структуре ООП Для изучения курса “Теория электрометаллургических процессов”, необходимо освоения содержания дисциплин:

– “История развития металлургии в России”;

– “Физика”;

– “Физическая химия”;

– “Информатика”;

– “Теплофизика”;

– “Компьютерная графика”;

– “Математика”.

Знания и умения, приобретаемые студентами после освоения содержания дисциплины, будут использоваться при изучении дисциплин “Теория пирометаллургических процессов”, “Теория электрометаллургических процессов”, “Химия металлов”, “Металлургия легких металлов”, “Металлургия редких металлов”, “Металлургия благородных металлов”, “Металлургия тяжелых цветных металлов”, “Производство алюминия и магния и проектирование цехов”, ”Производство благородных металлов и проектирование цехов”, “Рафинирование цветных металлов и кремния”, курсовом и дипломном проектировании и при выполнении научно-исследовательских дипломных работ.

4 Основная структура дисциплины Основная структура дисциплины приведена в таблице 1.

Таблица 1 – Структура дисциплины Самостоятельная работа (в том числе курсовое проектирование) Вид промежуточной аттестации (итогового контроля по дисциплине), в (36), (36), том числе курсовое проектирование 5 Содержание дисциплины 5.1 Перечень основных разделов и тем дисциплины Семестр Введение. Место дисциплины в учебном плане при подготовке бакалавров, связь с другими фундаментальными науками Раздел 1 Тепловые процессы при производстве и обработке металлов и применение закономерностей технической термодинамики, химической кинетики, механики жидкостей и газов, тепло- и массообмена для их анализа и расчёта Тема 1.1 Техническая термодинамика. Основные процессы, протекающие при работе тепловых агрегатов Тема 1.2 Механика жидкостей и газов Тема 1.3 Основы тепло- и массообмена Тема 1.4 Сушка. Нагрев металла. Плавление металла Раздел 2 Топливо и его сжигание Тема 2.1 Теплогенерация Тема 2.2 Сжигание топлива в пламенных печах Раздел 3 Огнеупорные и теплоизоляционные материалы Тема 3.1 Огнеупорные материалы Тема 3.2 Теплоизоляционные материалы Тема 3.3 Строительные материалы и металлы, применяемые в печестроении Тема 3.4 Служба огнеупоров и футеровки металлургических печей Раздел 4 Устройства для использования вторичных энергоресурсов Тема 4.1 Утилизация тепла отходящих дымовых газов Тема 4.2 Утилизация тепла готового продукта и шлака Тема 4.3 Охлаждение металлургических печей Раздел 5 Экологические аспекты сжигания топлива и утилизации вторичных энергоресурсов Тема 5.1 Токсичность продуктов сгорания Тема 5.2 Теплообмен в атмосфере и на поверхности Земли при солнечном излучении Семестр Раздел 6 Конструкции печей, используемых в основных переделах чёрной и цветной металлургии Тема 6.1 Основные положения тепловой работы печей Тема 6.2 Строительные элементы и механическое оборудование печей Тема 6.3 Печи чёрной металлургии. Топливные печи чёрной металлургии Тема 6.4 Печи чёрной металлургии с теплогенерацией за счёт выгорания примесей металла Тема 6.5 Электрические печи, применяемые в чёрной металлургии Тема 6.6 Печи цветной металлургии. Топливные печи цветной металлургии Тема 6.7 Печи цветной металлургии с полным или частичным использованием химической энергии сырьевых материалов Тема 6.8 Электрические печи, применяемые в цветной металлургии Тема 6.9 Очистка дымовых газов Тема 6.10 Проектирование печей цветной металлургии Раздел 7 Основы пирометаллургического производства Тема 7.1 Современные пирометаллургические процессы Тема 7.2 Металлургические печи в технологическом понимании Тема 7.3 Подготовка сырья к пирометаллургической переработке.

Требования к исходному сырью, виды и сущность проводимых подготовительных операций Тема 7.4 Обжиг Тема 7.5 Плавка 5.2 Краткое описание содержания теоретической части разделов и тем дисциплины Семестр

ВВЕДЕНИЕ

Место дисциплины в учебном плане при подготовке бакалавров, связь с другими фундаментальными науками Теплотехника – научная дисциплина и отрасль техники, охватывающая методы получения теплоты, преобразования её в другие виды энергии, распределения, транспортирования, использования теплоты с помощью тепловых машин, аппаратов и устройств. Производство чёрных и цветных металлов, лежащее в основе развития современной техники, связано с протеканием высокотемпературных, весьма энергоёмких процессов. Развитие металлургии в целом, а также развитие различных её переделов всегда связано с совершенствованием существующих или внедрением новых теплотехнических процессов.

Металлургическая (печная) теплотехника уже давно оформилась в самостоятельное направление технической физики, использующее, дополняющее и развивающее положения таких фундаментальных разделов науки, как термодинамика, гидро- и аэродинамика, теория горения, теплои массоперенос. Необходимость непрерывного совершенствования конструкций печей и процессов, в них происходящих, потребовала формулирования общих научных принципов, лежащих в основе печных процессов.

В подготовке металлургов “Металлургическая теплотехника” занимает важное место. Это обусловлено тем, что цветная металлургия характеризуется большим разнообразием пирометаллургических процессов и агрегатов для их осуществления.

В основе пирометаллургических методов получения металлов лежат физико-химические превращения металлосодержащих материалов, позволяющие осуществить извлечение, рафинирование и тепловую обработку металлов. Подавляющее большинство этих превращений (процессов) происходит с поглощением теплоты, а их скорость определяется температурой процесса. Поэтому все пирометаллургические процессы осуществляют в металлургических печах – устройствах, в которых в результате горения топлива или преобразования электроэнергии выделяется теплота, используемая для тепловой обработки материалов или изделий.

В современном понимании печь – это тепловой агрегат, в котором происходит получение теплоты из того или иного вида энергии и передача её материалу, подвергаемому обработке. Таким образом, печи представляют собой технологический аппарат и энергетическое устройство одновременно.

Значительная энергоемкость производства цветных металлов требует постоянной и целенаправленной работы по оптимизации использования топливно-энергетических ресурсов. Кроме топлива и электроэнергии (первичные энергоносители) предприятия цветной металлургии потребляют и другие энергоресурсы – пар и горячую воду, сжатый воздух, кислород и др. Наряду с этим металлургические предприятия располагают значительным количеством вторичных энергоресурсов, использование которых обеспечивает существенную экономию топлива и электроэнергии.

Основными потребителями топлива в цветной металлургии являются металлургические печи, для которых характерен низкий коэффициент полезного использования топлива. В большинстве случаев они представляют собой теплотехнологические агрегаты, потребляющие энергию различных видов и вырабатывающие энергию в виде вторичных энергоресурсов. В работе металлургических печей тесно связаны физикохимические, теплофизические и теплоэнергетические процессы. Поэтому для грамотного проектирования и эффективной эксплуатации металлургических печей и сопутствующего им теплоэнергетического оборудования необходимы специалисты, владеющие основами технической термодинамики и теплоэнергетики.

Подавляющее большинство процессов, протекающих в печах, совершается при высоких температурах и связано с большими затратами тепловой энергии. Высокая энергоёмкость печных процессов делает металлургическую теплотехнику ответственной за энергетические показатели работы печей, на долю которых приходится очень большая часть энергии, расходуемой как в нашей стране, так и во всём мире в целом. Поэтому металлургическая теплотехника изучает не только теплофизические процессы, лежащие в основе работы металлургических печных агрегатов, но и вопросы, сопутствующие работе этих агрегатов, такие как использование вторичных энергоресурсов, охрана окружающей среды и другие.

Пути развития металлургической теплотехники достаточно разнообразны. Развитие теоретических основ определяется необходимостью выделения главных теплофизических процессов в рабочем пространстве конкретных печных агрегатов, составления соответствующих этим процессам математических моделей с последующим их использованием для совершенствования конструкции и работы печей. В практическом плане совершенствование конструкций печных агрегатов и методов их эксплуатации должно происходить в направлении создания высокопроизводительных металлургических печей, отвечающих требованиям современного поточного производства с непрерывным снижением энергоёмкости процессов плавления и нагрева, осуществляемых в этих агрегатах.

Раздел 1 Тепловые процессы при производстве и обработке металлов и применение закономерностей технической термодинамики, химической кинетики, механики жидкостей и газов, тепло- и массообмена для их анализа и расчёта Тема 1.1 Техническая термодинамика. Основные процессы, протекающие при работе тепловых агрегатов Основные понятия и определения. Термодинамика представляет собой физическую теорию и изучает закономерности тепловой формы движения материи. Методами термодинамики исследуются процессы взаимного превращения самых различных видов энергии, включая механическую, тепловую, магнитную, электрическую. Изучаемые термодинамикой явления обусловлены особенностями теплового движения, которое проявляется в изменениях свойств системы, связанных с ее атомистическим строением и наличием огромного числа структурных микрочастиц. Для возникновения тепловой формы движения определяющим является не механическое поведение отдельных частиц системы, а существование большого числа микрочастиц, называемого ансамблем. Тепловое движение проявляется только в ансамблях, хотя каждая частица сама движется по законам механики.

Термодинамика изучает свойства макроскопических систем, исходя из двух основных законов, называемых началами термодинамики. Первый закон термодинамики характеризует количественную сторону макроскопических явлений, второй – устанавливает их качественную сторону (направленность).

Техническая термодинамика изучает процессы взаимного превращения тепловой и механической энергии, происходящие в тепловых двигателях и различных технических устройствах, к которым относят металлургические печи и другие теплотехнические установки. Объект термодинамического исследования называют термодинамической системой. В качестве термодинамической системы может рассматриваться любое макроскопическое тело или совокупность тел, взаимодействующих между собой и другими телами, не входящими в систему.

Термодинамическую систему как объект исследования выделяют из окружения контрольной поверхностью (или оболочкой). Эта поверхность может быть реальной (например, для газа в баллоне – внутренняя поверхность баллона) или мыслимой (плоскость, сфера). Все тела за пределами контрольной поверхности называют окружающей или внешней средой. Термодинамическая система и окружающая среда могут находиться в механическом и тепловом взаимодействии, а также обмениваться веществом. Если система не обменивается с окружающей средой ни энергией (в том числе и излучением), ни веществом, то ее называют изолированной или замкнутой. Термодинамическую систему, которая обменивается веществом с окружающей средой, называют открытой. Закрытую систему, не обменивающуюся теплотой с другими системами (окружающей средой), называют адиабатной.

Все термодинамические системы разделяются на два больших класса – гомогенные и гетерогенные. Гомогенная – это такая система, между любыми частями которой нет поверхностей раздела. В таких системах свойства изменяются непрерывно (без скачка) при переходе от одного места к другому. Примером гомогенной системы может служить мысленно выделенный столб воздуха, представляющий собой смесь газов, в основном азота и кислорода. В такой системе под действием силы тяжести непрерывно изменяются по высоте состав и физические свойства вещества. Гетерогенной называют систему, состоящую из отдельных частей, подсистем, разграниченных поверхностями раздела. Внутри такой системы при переходе через поверхность раздела хотя бы одно термодинамическое свойство вещества изменяется скачкообразно. Примерами гетерогенной системы могут служить вода с плавающим в ней льдом или вода и пар.

Гомогенную (однородную) часть гетерогенной системы, ограниченную поверхностью раздела, называют фазой. Если система состоит из жидкости и пара, то жидкость представляет одну фазу, пар – другую. Фаза – независимая составная часть системы, которая имеет определённые физические, химические и физико-химические свойства и отделена от других частей системы видимой границей раздела.

Компонент – это такая часть системы, содержание которой не зависит от содержания других частей. Компонентом системы называют независимые составные части системы, число которых необходимо и достаточно для описания состава каждой фазы. Термодинамическую систему, состоящую из двух или более индивидуальных веществ (компонентов), называют многокомпонентной.

Совокупность независимых макроскопических величин, таких как давление, плотность, определяет состояние системы. Величины, не зависящие от предыстории системы и полностью определяющие ее состояние в данный момент, называют функциями состояния. Если эти функции не зависят от времени, то состояние системы называют стационарным. Частным случаем стационарного состояния является состояние равновесия. В равновесной термодинамической системе отсутствуют потоки энергии и вещества. Методами классической термодинамики рассматриваются только равновесные системы.

В технической термодинамике приходится иметь дело с системами, состоящими из источников тепла и веществ, при изменении состояния которых совершается механическая работа. Эти вещества принято называть рабочими телами. В качестве рабочих тел обычно используются газы, пары и жидкость. Чаще всего в энергетических и технологических установках рабочими телами являются воздух или вода и водяной пар.

Макроскопические величины, характеризующие систему в состоянии термодинамического равновесия, называют термодинамическими параметрами. Термодинамические параметры подразделяют на внешние и внутренние. Внешние параметры характеризуют состояние окружающей среды, в которой находится система, а внутренние определяют состояние системы при заданных внешних параметрах. Такое деление является в определенной степени условным, так как рассматриваемую систему можно считать подсистемой единой расширенной системы, состоящей из системы и окружающей среды. Вследствие этого все параметры можно считать внутренними. Термодинамические параметры подразделяют на интенсивные и экстенсивные. Параметры, не зависящие от числа частиц или массы системы, называют интенсивными (давление, температура).

Параметры, пропорциональные числу частиц или массе системы, называют экстенсивными (объем, внутренняя энергия). Отнесенные к единице массы системы экстенсивные величины называют удельными параметрами (удельный объем, удельная внутренняя энергия). Удельные параметры являются интенсивными. Температуру, давление и удельный объем принято называть основными термодинамическими параметрами. Это обусловлено тем, что температура и давление поддаются непосредственным измерениям (первая – при помощи термометров, второе – при помощи манометров). Остальные термодинамические величины или вычисляются при помощи термодинамических соотношений, или определяются по результатам косвенных измерений.

Существует несколько определений температуры. Обычно полагают, что температура служит мерой нагретости тела. Наиболее адекватным её определением будет следующее: температура (от лат. temperature – нормальное состояние) – физическая величина, характеризующая интенсивность теплового движения в состоянии термодинамического равновесия макроскопической системы. Давление характеризует среднюю силу взаимодействия хаотически движущихся молекул газа или жидкости с ограничивающей термодинамическую систему поверхностью. Давление определяется величиной нормальной составляющей силы, отнесенной к единице площади поверхности, и измеряется в паскалях (1 Па = 1 Н/м2).

Термодинамическим параметром служит только абсолютное давление, отсчитываемое от абсолютного нуля или абсолютного вакуума.

Абсолютное давление рабс = р0 + р1, где р0 – атмосферное давление; р1 – избыточное давление в сосуде. Избыточное давление или разрежение не могут служить параметрами состояния тела, так как их значения зависят от атмосферного давления. При рабс > р0 давление измеряют манометрами.

При рабс < р0 для измерения давления в каком-либо сосуде используют вакуумметр. Принцип действия жидкостных приборов (манометров и вакуумметров) одинаков. Измеряемое ими давление называют избыточным.

Объем единицы массы однородного вещества называют удельным:

=V/M, где V– объем, м3; М – масса вещества, кг. Массу единицы объема вещества называют плотностью и измеряют в килограммах на кубический метр, кг/м3: =M/ V. Очевидно, что V = 1/ ; = 1/ и · V = 1.

Состояние чистого вещества (жидкости или газа) однозначно определяется заданием двух независимых интенсивных параметров, например удельного объема и температуры Т или давления р и температуры Т. Любой другой параметр будет однозначной функцией этих двух величин, т.е. р = f1(V, Т); = f2(р, Т); Т = f3(р,).

Вместо последних трех соотношений связь между р, и Т можно задать неявной функцией F(p,, Т) = 0. Функциональную связь между Термодинамические методы не позволяют получить уравнение состояния.

Эта задача решается методами статистической физики.

Уравнение F(p,, Т) = 0, связывающее давлением р, удельный объем и температуру Т вещества, находящегося в состоянии термодинамического равновесия, называют термическим уравнением состояния, а р, и Т – термическими параметрами. Область изменения последних называют пространством состояний.

Уравнение F(p,, Т) = 0 в пространственных координатах р, v, Т описывает так называемую термодинамическую поверхность. Равновесное состояние системы на этой поверхности изображается точкой, а переход системы в другое состояние равновесия – линией. Поскольку состояние рассматриваемых систем определяется двумя, а не тремя независимыми параметрами, можно перейти к системам координат на плоскости, которые в термодинамике называют диаграммами состояния. Для практического использования диаграмма состояния намного удобнее, чем трехмерные координатные системы, так как геометрические построения на плоскости гораздо проще. Введение в термодинамику геометрических методов существенно расширило ее возможности, особенно для решения прикладных задач. Диаграммы состояния широко используют в инженерной практике. Наиболее употребительными являются диаграммы р–; р–Т; –Т.

В качестве примера рассмотрим уравнения состояния для идеального и реального газов. В технической термодинамике в качестве рабочего тела часто рассматривают идеальные газы, в которых не существенны силы взаимного притяжения и отталкивания, между молекулами, а объем молекул пренебрежимо мал. Все реальные газы при невысоких давлениях по своим свойствам мало отличаются от идеального газа.

Идеальные газы подчиняются закону Бойля-Мариотта pv = const (при Т = const), закону Гей-Люссака, справедливому при р = const, v/T= const, и для постоянного удельного объема v – закону Шарля р/Т = const. Этими законами устанавливается связь между двумя параметрами состояния газа при условии постоянства третьего параметра и массы. Все три параметра состояния связаны уравнением Клапейрона. Для произвольного объема газа массой М оно имеет вид: pV = MRT, а для 1 кг: pv = RT, (v=V/M), где R – газовая постоянная, зависящая от природы газа. Величина R характеризует работу 1 кг газа при р = const и изменении температуры газа на 1 К. Если газовую постоянную отнести не к 1 кг газа, а к 1 молю, то уравнение Клапейрона можно записать в виде: pv= RT, где – молекулярная масса газа, кг; v – объем 1 кмоля, м3. Произведение R называют универсальной газовой постоянной, равной 8314,2.

Тогда: pv = 8314,2 Т. Эта формула, выражающая связь между р, v и Т, названа уравнением Клапейрона-Менделеева. В термодинамике принято считать, что если газ подчиняется уравнению состояния Клапейрона-Менделеева, то он является идеальным. С позиций молекулярно-кинетических представлений моделью идеального газа служит система невзаимодействующих материальных точек. Тепловое движение в идеальном газе является результатом столкновения молекул друг с другом и со стенками, ограничивающими систему. Наличие у молекул собственного объема и межмолекулярное взаимодействие обусловливают отклонение свойств реальных газов от идеальных. Поэтому уравнение Клапейрона-Менделеева применимо к реальным газам лишь при достаточно большом разрежении, т.е. при малых плотностях последних.

Основные процессы и законы термодинамики В термодинамике постулируется, что замкнутая система с течением времени неизбежно приходит в состояние термодинамического равновесия и самопроизвольно никогда выйти из него не может (первый постулат термодинамики). Состояние равновесной системы определяется заданием ее внешних параметров и температуры.

Изменение состояния термодинамической системы с течением времени называют термодинамическим процессом. Любой процесс представляет собой результат взаимодействия системы с окружающей средой (или взаимодействия подсистем внутри системы) и представляет собой отклик системы на внешние возмущения. Этот отклик существенно зависит от характера внешних воздействий. Равновесным или квазистатическим называют такой процесс, в каждой фазе которого система находится в состоянии термодинамического равновесия. Если это условие не выполняется, процесс называют неравновесным. Равновесные или квазистатические процессы обладают одним замечательным свойством – они обратимы. При совершении системой обратимого процесса в прямом и обратном направлениях не проиcxoдит никаких остаточных изменений ни в самой системе, ни в окружающей среде.

Система проходит через одни и те же состояния равновесия, меняется лишь порядок их чередования. Неравновесные системы свойством обратимости не обладают. В неравновесных системах возникают необратимые потоки энергии и вещества. Причиной этих потоков является неравенство параметров отдельных частей системы, т.е. градиенты температур, давлений, концентраций. Все самопроизвольные процессы, такие как выравнивание температур, концентраций, давлений, будут необратимыми и сопровождаются потерями работоспособности системы (диссипацией). Чем меньшей диссипацией сопровождается тот или иной процесс, тем он выгодней с энергетических позиций. Поэтому самыми энергетически выгодными являются обратимые процессы, которые вообще не сопровождаются диссипацией. Все реальные процессы в той или иной степени необратимы, так что обратимые процессы являются идеализацией.

Поэтому результаты, полученные в термодинамике на основе анализа обратимых процессов, играют роль предельных теорем. Нужно стремиться приблизиться к ним, конструируя тепловые двигатели и энергетические установки.

В термодинамике особое место занимают замкнутые или круговые процессы, при осуществлении которых система, проходя последовательно через равновесные состояния, возвращается к начальному состоянию.

Такие процессы называют циклами. Их изображают замкнутыми кривыми в диаграммах состояния. Циклы лежат в основе работы тепловых машин – двигателей и холодильных установок. Циклы, представляющие собой последовательность процессов в тепловых машинах, могут быть как обратимыми, так и необратимыми, причем последние нельзя изобразить в диаграммах состояния. В теории тепловых двигателей представляют интерес циклы, состоящие из простейших процессов, которые осуществляют при постоянстве определенных параметров и называют основными термодинамическими процессами: изобарический (р = const), изохорический (v = const), изотермический (Т = const), адиабатический (без теплообмена с окружающей средой).

При взаимодействии термодинамической системы с окружающей средой происходит обмен энергией. Возможны два различных способа передачи энергии от системы к внешним телам: с изменением внешних параметров системы и без изменения этих параметров. Способ передачи энергии, связанный с изменением внешних параметров, называют работой, без изменения внешних параметров – теплотой, а сам процесс передачи – теплообменом. Количество энергии, передаваемой одним телом другому, не связанное с переносом теплоты и вещества, также называют работой l, а количество энергии, передаваемое более нагретым телом менее нагретому, не связанное с переносом вещества и совершением работы, называют количеством теплоты q. Работа характеризует упорядоченную форму обмена энергией с окружающей средой, при этом в системе всегда имеют место направленные микроскопические перемещения. Работа имеет размерность энергии и измеряется в джоулях (Дж). Величину l, отнесенную к массе рабочего тела, называют удельной работой, Дж/кг. Принято считать работу положительной, если она производится системой над внешними телами; если она совершается над системой – отрицательной.

Формулировки первого закона термодинамики. Первый закон термодинамики является частным случаем всеобщего закона природы – закона сохранения энергии. Этот закон не может быть выведен аналитически.

В дифференциальной форме математическая формулировка первого закона, записанная для 1 кг газа имеет следующий вид:

где dq – элементарное количество теплоты; du – элементарное изменение внутренней энергии газа; de – элементарное изменение внешней энергии газа; dl – элементарное количество работы, совершенной газом. Внешняя (или макроскопическая) энергия е, представляет собой сумму кинетической энергии движущегося газа и его потенциальной энергии. В соответствии с выражением (dq = du + de + dl) энергия, которую газ получает в форме теплоты, в общем случае расходуется на изменение его внутренней и внешней энергии и на совершение механической работы.

В ряде случаев изменением внешней энергии газа можно пренебречь.

Это допустимо, когда перемещение газа как целого не играет существенной роли. Изменение внешней энергии, однако, должно быть обязательно учтено, когда расматривают термодинамику потока газа.

Считая, что изменения внешней энергии газа не происходит, получим выражение первого закона термодинамики в виде т. е. теплота, получаемая газом, расходуется на изменение внутренней энергии и на совершение работы. Интегрируя правую и левую части данного уравнения от некоторого начального до конечного состояния системы, получим формулировку первого закона в интегральной форме:

где q – теплота, полученная или отданная газом в данном процессе;

u = u2 – и1 – изменение внутренней энергии; l – работа, совершаемая в данном процессе и определяемая общей формулой l = Второй закон термодинамики. Согласно первому закону термодинамики, могут протекать только такие процессы при которых полная энергия системы остаётся неизменной. Второй закон термодинамики еще больше ограничивает возможные процессы превращения.

Теплоту можно превратить в работу только при условии, что часть этой работы одновременно перейдёт от горячего тела к холодному (принцип действия тепловых двигателей). Устройство, которое вопреки этому закону получило бы тепловую энергию от нагревателя и производило равное количество механической энергии, называется вечным двигателем второго рода (камень, который, охлаждаясь, поднимался бы вверх).

Чтобы теплота могла перейти от холодного тела к горячему, необходимо затратить механическую работу (принцип действия холодильных машин). Следовательно, в замкнутой системе в отсутствие каких-либо процессов не может сама по себе возникнуть разность температур, т.е. теплота не может самопроизвольно перейти от более холодных частей системы к более горячим.

Тема 1.2 Механика жидкостей и газов Роль газов в металлургической теплотехнике.. В промышленных печах движение жидких и газообразных сред во многом определяет интенсивность тепло- и массообменных процессов (сушки, нагрева, плавления, восстановления, окисления, возгонки). Во многих пламенных печах для обеспечения равномерной по объему температуры необходимо создать интенсивное перемешивание газов, заполняющих рабочее пространство. Этого часто достигают рассредоточенным подводом газов в печь и рассредоточенным же отводом продуктов сгорания из печи, что исключает застойные газовые зоны. Помимо распределения подводимого в печь топлива и способа отвода продуктов сгорания из печи, на температурное поле газового объема будут влиять скорости и направление струй топлива и воздуха (дутья).

В печах цветной металлургии образуется большое количество газов, часто превосходящее по массе количество перерабатываемых исходных материалов. В плавильной отражательной печи, проплавляющей 1500 т/сут твердой шихты, образуется 2500 т газов, объем которых при температуре 1200 С составляет 9,2 млн. м3. Газы, уходящие из рабочего пространства большинства печей, уносят значительное количество пыли, зависящее от типа печи, размера частиц шихтовых материалов, способа загрузки, характера движения газов. Можно создать такие условия, при которых частичное осаждение пыли будет происходить уже в самой печи. В отражательных печах предусматривают специальный наклонный газоотход-аптейк, в котором за счет изменения направления движения газов под действием сил инерции происходит выпадение крупных частиц пыли. В обжиговых печах кипящего слоя рабочую камеру выполняют расширяющейся кверху, что приводит к уменьшению скорости движения газового потока и осаждению в камеру крупной пыли. Правильная организация движения газов повышает сроки службы элементов кладки металлургических печей и сокращает стоимость ремонтов.

Особое место в организации работы плавильных печей занимает движение жидких расплавов, влияющее на процессы тепло- и массообмена в ванне. Интенсивное движение металла и шлака способствует выравнивания температур и концентраций по толщине расплава. В печах цветной металлургии возможно взаимодействие жидкой и газообразной фаз, результат которого зависит от правильной организации их движения.

Воздушная струя, подаваемая в ванну конвертера, производит большую механическую работу при перемешивании штейна. Энергичное перемешивание необходимо для того, чтобы весь объем расплава участвовал в физико-химических процессах и был обеспечен перенос теплоты во все участки конвертера. При этом огромную роль играет правильный выбор газодинамического режима конвертера. Сначала увеличение скорости истечения приводит к образованию внутри слоя штейна мощной воздушной струи, разбивающей жидкость на малые капли и образующей сплошной газо-жидкостный факел (воздух, насыщенный частицами расплава). По мере увеличения количества подаваемого дутья струя как бы “прорывается” через слой штейна на поверхность ванны, увлекая за собой капли металла и шлака. В конечном итоге увеличение подачи дутья приводит к возникновению выбросов расплава из конвертера.

При подаче струи сверху газовая фаза поступает на поверхность жидкой ванны вертикально или под некоторым углом. При соприкосновении струи с поверхностью наблюдается заметная деформация расплава. Размеры образующегося при этом кратера зависят от скорости струи вблизи поверхности и от свойств самой жидкости. При наличии в ванне двух слоев – металла и шлака – кратер может располагаться либо только в верхнем слое, либо захватывать оба слоя. Интенсивность движения расплава зависит от сил трения между выходящей из кратера струей и поверхностным слоем жидкости. Чем больше вязкость расплава, тем труднее он приводится в движение. Заметную роль в организации перемешивания жидкой фазы играют скорость истечения струи, угол ее встречи с поверхностью ванны, высота расположения фурмы.

Уравнение неразрывности. Уравнение Д. Бернулли. Сжигание топлива служит источником получения тепловой энергии в печах и всегда связано с движением печных газов, которые, двигаясь в рабочем пространстве, отдают свое тепло обрабатываемым материалам. В 1905– 1911 годах в гидравлической теории печей В.Е. Грум-Гржимайло впервые систематизировал представления о движении газов в металлургических печах. Газы и жидкости имеют много общего в своем поведении при движении, если скорости движения потоков относительно невелики (< м/с). Имеются существенные различия между ними. В отличие от жидкостей газы характеризуются значительным коэффициентом температурного расширения, выражающим относительное увеличение объема газа при повышении температуры на 1 К и равным 1/273 К–1.

Изменение давления практически не влияет на объем жидкости, она несжимаема даже при приложении к ней больших давлений. Газы значительно изменяют свой объем при изменении давления. В этом состоит второе различие между жидкостью и газом.

Рассмотрим только такие явления, в которых сжимаемость почти не играет никакой роли и описывающие их законы могут быть применимы как к жидкости, так и к газу. Поэтому газ часто считают жидкостью из-за того, что движение потоков жидкости и газа имеет одинаковое математическое описание. В системе газоходов печи давление изменяется незначительно (не более 1 % от атмосферного). При этом незначительно изменяется и объем газов. Таким небольшим изменением объема газа от давления также можно пренебречь и считать, что в этом частном случае газ подобен жидкости, что он также несжимаем и что формулы, выведенные в гидродинамике для жидкостей, остаются справедливыми и для газов. Если же давление в системе газопроводов изменяется более чем на 10 % от атмосферного, то изменением объемов газа от давления пренебрегать нельзя. В этом случае для газов необходимо пользоваться другими формулами, учитывающими их сжимаемость.

Движение газа вследствие разности плотностей различных его слоев называют свободным или естественным. Движение газов под действием разности давлений, вызванной внешними силами, обусловленными, например, работой вентилятора или горелки, называют вынужденным (принудительным). Оно является наиболее характерным для печей.

Основная задача гидродинамики – определение скорости движения потока, гидродинамического давления и сопротивлений движению жидкости, которая решается с помощью уравнения неразрывности и движения.

Уравнение неразрывности для двух произвольных сечений канала F и F2 имеет вид:

Для указанных сечений массовый расход истока жидкости или газа остается неизменным. При 1 = т.е. средние скорости обратно пропорциональны площадям сечений потока, которым со ответствуют эти средние скорости.

Задача определения давления в движущемся потоке жидкости или газа была рассмотрена Д.Бернулли в 1738 г. Часто это уравнение записывают в виде:

Рдин + Рст + Ргеом + Рпот = const, где Рдин = 0,5 W2 – динамическое давление в данном сечении;

Рст = (Рг – Р в ) избыточное статическое давление (разность абсолютных давлений газа и воздуха в соответствующем сечении);

Ргеом = Hg(в – г) – геометрическое давление газа.

Из уравнения Бернулли видно, что для установившегося движения сумма давлений – величина постоянная. Увеличение одной составляющей, например, потерянного давления, будет сопровождаться соответствующим уменьшением других давлений при сохранении неизменной их суммы.

При изменении сечения канала в соответствии с уравнением неразрывности имеет место переход динамического давления в статическое. Возможен и обратный переход, т.е. Рст Рдин. Из уравнения Бернулли видно, что потерянное давление пропорционально скоростному давлению и им обусловлено, т.е. Рдин. Рпот. Чем больше будет потерянное давление, тем большую долю динамического давления нужно затратить на компенсацию величины Рпот. Однако вследствие уравнения неразрывности поток массы в различных сечениях канала, например воздухопровода, остается неизменным, т.е. неизменным должно быть и динамическое давление. Следовательно, компенсировать затраты кинетической энергии на преодоление трения потока о стенки канала можно только потенциальной энергией, т.е. статическим давлением. Поэтому при движении газового потока в канале происходит непрерывное уменьшение статического давления по его длине.

Уравнение Бернулли находит очень широкое применение в металлургической теплотехнике. Оно служит теоретической основой измерения расходов газов, паров или жидкостей с помощью дроссельных устройств (диафрагм, сопел, труб Вентури). При протекании газа или пара через сужение, например через отверстие в стальном диске (диафрагма), вмонтированном в канал, его скорость повышается, а статическое давление понижается. Следовательно, возникает перепад давления Р измеряемый U-образным микронометром. По величине перепада статического давления (до Р 1 и после диафрагмы Р 2 ) можно судить о расходе жидкости или газа:

чем больше расход, тем больше скорость потока, а следовательно, и перепад статического давления Р.

Вязкость жидкостей и газов. Режим движения потоков.

На движущийся в канале поток действуют силы трения, стремящиеся его затормозить, которые подразделяют на внешние и внутренние. Внешняя сила трения зависит от характера взаимодействия потока со стенками, ограничивающими канал. Внутренняя сила трения, обусловленная вязкостью, сопутствует или противодействует относительному перемещению частей одного и того же тела.

Вязкость – основное физическое свойство, определяющее характер распределения скоростей в поперечном сечении потока. Она связана со структурой жидкости.

Одним из наиболее характерных свойств жидкостей является текучесть. При перемещении одного слоя жидкости относительно другого наблюдается сопротивление, мерой которого является величина коэффициента вязкости (внутреннего трения). Вязкость представляет собой коэффициент пропорциональности () в уравнении Ньютона, связывающем тангенциальную силу (R), прилагаемую к слою жидкости площадью (F), чтобы обеспечить его равномерное движение относительно другого слоя с градиентом скорости dW/dz (c–1): R = F(dW/dz). Таким образом, коэффициент вязкости, или просто вязкость, есть сила в Ньютонах (H), которую необходимо приложить к площади жидкости в 1 м для того, чтобы сообщить ей скорость в 1 м/с по отношению к другой, параллельной площади жидкости, отстоящей от нее на расстоянии 1 м.

Кроме динамической вязкости (, Н·c/м2 или Па·с), в гидродинамике пользуются кинематической вязкостью, которая определяется как отношение динамической вязкости к плотности жидкости: v= / (v, м2/с).

Текучестью называется величина, обратная динамической вязкости:

= 1/ (, м2/ Н·c = 1/ Па·с).

Вязкость жидкостей и газов существенно зависит от температуры. У жидкостей она уменьшается с повышением температуры из-за увеличения расстояния между молекулами жидкости и уменьшения их сил сцепления.

Наоборот, вязкость газов с повышением температуры возрастает вследствие увеличения скорости движения молекул, что усиливает переход молекул из слоя в слой. Вязкость газов не зависит от давления.

Вязкость жидкости или газа оказывает существенное влияние на распределение жидкостей в потоке.

В гидродинамике различают два основных режима движения потоков: ламинарный (слоистый) и турбулентный (вихревой).

Существование различных режимов движения было обнаружено Гагеном в 1839 г. Если в поток воды, движущийся в прозрачной стеклянной трубке, ввести одну или две струйки краски, то при малых скоростях течения струйка не будет перемешиваться с водой. Такой режим, когда струйки потока не перемешиваются друг с другом, называют ламинарным (слоистым). Отличительной особенностью этого режима является параболическое распределение скоростей по сечению потока, обусловленное молекулярной вязкостью жидкости или газа.

При увеличении скорости течения воды струйки краски будут перемешиваться в поперечном сечении потока, что сопровождается окрашиванием всего потока воды. Этот режим получил название турбулентного (вихревого). При возникновении турбулентного режима в потоке возникает множество макро- и микрообъемов (вихрей), движущихся по всевозможным направлениям и с различными скоростями, что приводит к интенсивному перемешиванию потока. При этом вихри переносят массу и теплоту, что сопровождается возникновением в потоке турбулентной вязкости, во много раз превышающей молекулярную вязкость. Вследствие хаотического перемещения вихрей турбулентные потоки обладают повышенной способностью к переносу теплоты, взвешенных частиц и распространению химических реакций, например горения. Этим объясняется эпюра скоростей турбулентного потока. Она имеет вид усеченной параболы, скорости по сечению потока распределены более равномерно. Смена одного режима другим происходит при определенном значении безразмерной величины, называемой числом Рейнольдса: Re = Wd / v = W2d / W = Wd / где v и – кинематическая и динамическая вязкость;

W – средняя скорость движения потока (м/с);

d – характерные размеры тела (диаметр канала, диаметр трубы), (м);

По физическому смыслу число Рейнольдса представляет собой отношение силы инерции потока W2 к силе внутреннего трения W /d. В зависимости от преобладания одной силы над другой будет возникать тот или иной режим движения.

Экспериментально установлено, что переход от ламинарного режима к турбулентному в каналах круглого сечения происходит при числе Рейнольдса Re = 2300. Этой величине соответствует критическая скорость Wкp = 2300 v/d.

При этом различают две критические скорости: верхнюю Wкpв и нижнюю Wкpн из которых первая больше второй. Обе скорости характеризуют наступление того или иного устойчивого режима.

При скорости W = Wкpв ламинарное движение переходит в устойчивое турбулентное; если W = Wкpн, турбулентное течение переходит в устойчивое ламинарное. При Wкpн < W < Wкpв режим неустойчив.

Течение может переходить в любой из двух устойчивых.

Величина критического числа Рейнольдса справедлива не для всех случаев. При движении потока в слое частиц круглой формы режим может быть турбулентным при числе Рейнольдса на порядок ниже критического.

Если поток жидкости движется в змеевике, то вследствие воздействия на него центробежных сил наступление турбулентного режима затягивается до Re кр = 20000.

Если температура газа в отдельных точках движущегося потока не изменяется, то такое движение называют изотермическим. При неизотермическом движении, например вследствие теплообмена, температура газа изменяется как по направлению движения потока, так и в поперечном сечении канала. Изменение температуры газа при ламинарном режиме будет сопровождаться изменением эпюры скоростей.

Неизотермичность потока оказывает слабое влияние на эпюру скоростей турбулентного потока.

Пограничный слой. Теория пограничного слоя разработана Л.

Прандтлем в 1904 г. и позволила решить многие проблемы, связанные с движением реальных сред. Одной из наиболее важных практических задач механики жидкостей и газов является определение сопротивления, оказываемого потоку газов элементами металлургических печей, коэффициентов тепло- и массообмена между движущимся газом и поверхностью металла. Во всех этих случаях основное влияние на величину соответствующих коэффициентов оказывает гидродинамическая обстановка в непосредственной близости от твердой поверхности. При обтекании потоком жидкости или газа различных тел частицы движущейся среды, соприкасающиеся с поверхностью тела, “прилипают” к ней. Вблизи поверхности твердого тела образуется тонкий слой заторможенной движущейся среды, в пределах которого скорость изменяется от нуля на поверхности тела до скорости невозмущенного потока. Этот заторможенный слой получил название гидродинамического пограничного слоя.

Образование пограничного слоя происходит следующим образом.

При набегании потока со скоростью W0 на пластину у ее поверхности скоростное поле существенно изменяется, причем образуется слой газа, характеризуемый резким изменением скорости по толщине но носящий ламинарный характер. Чем больше расстояние х от передней кромки пластины, тем толще пограничный слой, так как по мере движения потока вязкость оказывает все большее влияние на невозмущенную часть.

Понятие толщины пограничного слоя довольно условно, так как резкого перехода от пограничного слоя к течению вне слоя нет. Скорость в пограничном слое по мере увеличения расстояния от стенки асимптотически стремится к W0. Поэтому под толщиной пограничного слоя т подразумевают расстояние от поверхности, на которой скорость отличается от скорости набегающего на поверхность потока на 1 %.

Увеличение толщины пограничного слоя означает нарастание массы среды, движущейся в нем и, следовательно, увеличение силы инерции. По мере удаления от кромки пластины ламинарный слой постепенно делается неустойчивым. На некотором расстоянии хкр сила инерции оказывается настолько большой по сравнению с силой трения, что ламинарный режим переходит в турбулентный. Первоначальный слой распадается на турбулентный пограничный подслой и ламинарный подслой, расположенный возле самой поверхности. Таким образом, турбулентный пограничный слой состоит из двух зон: большую часть его толщины занимает собственно турбулентная зона, а вблизи стенки сохраняется тонкий ламинарный подслой. Разумеется, описанная двухслойная схема пограничного слоя представляет собой лишь весьма упрощенную модель реального очень сложного явления.

Толщина ламинарного подслоя л зависит от числа Рейнольдса. При увеличении Re величина л уменьшается, так как при этом уменьшается сила трения по сравнению с силой инерции и, следовательно, уменьшается размер зоны потока, в котором сила трения преобладает. Толщина ламинарного подслоя может быть рассчитана по формуле л = 4,64х Re –0,5, где х – расстояние от передней кромки пластины.

В связи с тем, что интенсивность турбулентного переноса импульса в поперечном направлении очень велика по сравнению с интенсивностью молекулярного переноса, толщина турбулентного пограничного слоя т нарастает по длине пластины быстрее, чем толщина ламинарного пограничного слоями при прочих равных условиях оказывается существенно больше последней. Формула для расчета толщины турбулентного пограничного слоя по длине пластины т имеет вид:

Увеличение турбулентности потока (числа Re)уменьшает толщину пограничного слоя. Понятие пограничного слоя находит широкое применение при исследовании конвективного теплообмена.

Потери давления движущегося потока. При движении потоков газа или жидкости в каналах от сечения 1 к сечению 2 происходят затраты энергии потока на преодоление гидравлических сопротивлений движению (потери давления):

Сопротивления подразделяют на два вида: по длине канала (сопротивления трения) и местные (сосредоточенные). Первые пропорциональны длине канала и обусловлены силами трения. Местные сопротивления связаны с изменением направления движения потока или площади поперечного сечения канала. При проведении расчетов потерь давления используют принцип наложения, состоящий в суммировании всех потерь, т.е. Рпот = Ртр + Рм, где Рпот – суммарные потери давления; Ртр – потери давления на трение; Рм – потери давления на местные сопротивления. Близко расположенные местные сопротивления влияют друг на друга, поэтому суммарная потеря давления может быть больше или меньше арифметической суммы сопротивлений.

Расчет потерь давления. В металлургии широко используют различные трубопроводы и каналы для транспортирования жидкостей, газов, жидких металлов, пульпы, мазута. Система трубопроводов может быть простой и сложной. Простая система состоит из одного канала (трубопровода), в котором все источники потерь давления расположены последовательно. Они встречаются сравнительно редко. Чаще всего в металлургии используют сложные системы. Для шахтных печей наиболее типична кольцевая система воздухопроводов с различным количеством фурм. В теплообменных аппаратах газообразные или жидкие потоки движутся по системе параллельных каналов. В этой системе канал в какойто точке разветвляется на несколько каналов, а затем в другой точке они вновь соединяются в один. При подаче воздуха и топлива к горелкам отражательных печей используют разветвленную систему трубопроводов.

При расчете сопротивления движению потока (определению потерь давления) одиночного (простого) канала все последовательно расположенные отдельные сопротивления (трения и местные) суммируют.

Расчет потерь давления в сложных системах трубопроводов следует производить для ответвления (участки трассы) с наибольшим сопротивлением, которым может быть наиболее удаленный от вентилятора или дымовой трубы трубопровод. Конечной целью расчета является обычно или выбор вентилятора для подачи воздуха в печь, или определение размеров дымовой трубы, предназначенной для удаления продуктов сгорания из печи. Ему предшествуют расчеты горения топлива и теплового баланса. Расчет горения топлива определяет расход воздуха и выход продуктов сгорания на единицу топлива в единицу времени. Зная эти данные, легко определить объем воздуха, который следует подать в печь, и количество продуктов сгорания, образующихся в печи, в единицу времени. По этим двум объемам можно определить необходимые сечения воздухопровода и каналов для удаления дымовых газов из печи. Для этого обычно задаются допустимыми скоростями движения газов в каналах W.

Для воздуха ее часто принимают 6 – 1 0, иногда до 12 м/с, а для продуктов сгорания 1 – 2, реже 3 м/с. Скорости природного газа в трубопроводах не должны превышать 1 0 – 15, а мазута 0, 3 – 0,5 м/с. Диаметры стальных труб воздухопровода выбирают из сортамента труб, выпускаемых промышленностью. Следующий этап расчета – составление и вычерчивание схемы воздухопровода или системы каналов для удаления продуктов сгорания из печи с указанием длин, высот и сечений. Ее составляют, исходя из конкретных условий размещения оборудования в цехе, габаритов печи, заглублений каналов (боровов) в землю и т.д. При расчетах потерь давления по дымовому тракту на схему наносят также температуру продуктов сгорания, которая на выходе из печи бывает известной. При движении по кирпичным каналам вследствие теплоотдачи их температура снижается. Следующим этапом расчета является выбор по справочникам коэффициентов местных сопротивлений.

Последующие расчеты потерь давления производятся в форме двух таблиц, одну используют для определения Ртр, а вторую – Рм. К сумме потерь Р добавляют сопротивление горелки Ргор.

Последний этап расчета – определение величины геометрического давления, которому следует присваивать знак плюс или минус. Если направление движения потока совпадает с направлением подъемной силы, то геометрический напор должен иметь знак минус. При несовпадении этих направлений он должен иметь знак плюс, представляя дополнительное сопротивление. Следовательно, потеря давления по трассе Р = Рм + Ртр + Ргеом + Ргор. По вычисленной величине Р и известному объему газов V выбирают вентилятор или выполняют расчет дымовой трубы.

Принцип действия и расчёт дымовые трубы. Дымовые трубы используют для удаления печных газов и рассеивания содержащихся в них вредных веществ в верхних слоях атмосферы. При замене трубы высотой 80 м на трубу высотой 200 м концентрация токсичных веществ у земли понижается почти в 100 раз.

Плотность печных газов г, движущихся внутри трубы, значительно меньше плотности окружающего трубу воздуха в. Поэтому в трубе будет возникать геометрическое давление hreoм, пропорциональное также и высоте дымовой трубы Н, т.е. hгеом = Hg(в – г). Следовательно, геометрическое давление внизу трубы будет тем больше, чем выше труба и меньше плотность дымовых газов, т.е. чем выше их температура. Так как отсчет высоты производят сверху вниз, то hгеом будет иметь знак минус и создавать внизу трубы разрежение (отрицательное давление).

Геометрическое давление расходуется на преодоление всех аэродинамических сопротивлений (трения и местных сопротивлений) на пути газов от рабочего пространства до основания дымовой трубы, включая поворот в трубу и выход газов из нее в окружающее пространство, т.е. Р геом Р + Ртр + Рм, где Р – суммарная величина потерь давления; Ртр – потеря давления на преодоление трения газов о стенки трубы; Рм – потеря давления на выходе газов из устья трубы в атмосферу. Поэтому высота дымовой трубы Так, если коэффициент местного сопротивления при выходе газов из трубы в атмосферу равен 1,06, то Р м = 0,53 W2оу ог (Ту / 273). Потери давления на трение газов о стенки трубы Ртр = 0,5 W2ог ог (T/273)H/d, где ог и ов – плотность продуктов сгорания и воздуха при t, °С;

t в – температура окружающего воздуха, С;

t y и t г – температура газов в устье трубы и средняя температура газов в трубе, С;

W0 и Woy – средняя скорость газов и скорость в устье трубы, м/с.

Тогда высота трубы составляет Н, м.

Температура газов в основании трубы обычно известна и равна t Температура газов в верху трубы (в устье) t гy = t 1 – t Н, где t – падение температуры вследствие теплоотдачи, зависящее от материала стенки трубы, °С/м. Поэтому для определения температуры t гy приходится вначале ориентировочно задаваться величиной высоты грубы Н. Тогда средняя температура газов t ср = 0,5 (t1 + t гy).

Средний диаметр конической трубы d = 0,5 (dосн+ dy), где dосн и dy – внутренние диаметры основания и устья дымовой трубы, определяемые по формуле d = 1,13(V 0 / W 0 ) 1 / 2, где V 0 – секундный объем газов, проходящих по трубе, м3/с, W0 – скорость газов, м/с. Обычно скорость газов в устье трубы принимают равной 1 – 2 м/с, а в устье – 3 – 5 м/с.

Расчет высоты и диаметров трубы сильно осложняет подсос атмосферного воздуха в продукты сгорания в системе каналов от печи до трубы, а также падение температуры газов из-за теплообмена их со стенками. Увеличение объема газов и снижение их температуры принуждают увеличивать высоту трубы. Ее приходится увеличивать и с учетом нарушения герметичности самой трубы, а также форсирования печи. Увеличение тепловой мощности печи сопровождается увеличением объема продуктов сгорания и неизбежным повышением потерь давления от печи до трубы. Поэтому расчет дымовой трубы проводят по максимальному расходу топлива при сохранении трубой даже в этих условиях 20–30 % от давления разрежения. Если труба будет обслуживать несколько печей, то ее высоту вычисляют по максимальному сопротивлению системы “одна печь – труба”, а не по сумме сопротивлений всех трасс от печей к трубе. Расход дыма через трубу должен быть суммарным, т.е. учитывать продукты сгорания от всех печей.

Выбор высоты определяют, исходя из нескольких положений.

Высота трубы зависит от тепловой мощности печи. Если мощность печи не превышает 120 МВт, то высота должна быть не менее 30 м. При повышении тепловой мощности до 400 МВт минимальная высота равна м. При расположении в радиусе менее 200 м от трубы 5-этажных зданий и выше независимо от тепловой мощности печи труба должна быть не ниже 45 м. Нормами особо регламентирован выбор высоты трубы при выбросе в атмосферу вместе с дымовыми газами сернистых, фтористых, мышьяковых и других вредных веществ.

Для компенсации повышенных потерь давления на пути от печи до трубы используют дымососы. Возможно также использование дымовой трубы и дымососа или эжектора.

Раздел 2 Топливо и его сжигание Тема 2.1 Теплогенерация Общая характеристика топлива. Топливом называются горючие вещества, служащие источником тепла. Прежде чем использовать горючее вещество в качестве топлива, необходимо установить, что оно отвечает следующим требованиям: запасы топлива велики и доступны для добычи;

продукты сгорания легко транспортируются из зоны горения и безвредны для окружающей среды; топливо легко загорается и содержит небольшое количество негорючих примесей (в частности, воды и золы); процесс горения легко управляем.

По происхождению топливо подразделяется на естественное и искусственное. Последнее является продуктом переработки естественного топлива. По агрегатному состоянию топливо делится на твердое (кусковое, пылевидное), жидкое и газообразное. Агрегатное состояние топлива определяет способы его хранения, транспортировки и сжигания.

Твердое естественное топливо: древесина, торф, бурые угли, каменные угли, антрацит, горючие сланцы. Твердое искусственное топливо: каменноугольный кокс, полукокс, древесный уголь, термоантрацит, брикеты, пылеугольное топливо.

Жидкое естественное топливо: нефть. Жидкое искусственное топливо: бензин, керосин, лигроин, реактивное топливо, дизельное топливо, мазут и др.

Газообразное естественное топливо: природный газ. Газообразное искусственное топливо: коксовый, доменный, генераторные газы и др.

Состав топлива. Топливо, сжигаемое в промышленных печах, называется рабочим топливом. Горючими органическими элементами рабочего топлива является: углерод CP, водород НР и летучая сера SРл.

Кроме горючих элементов рабочее топливо содержит негорючие органические элементы – кислород ОР и азот NP, входящие в состав топлива в виде сложных высокомолекулярных соединений, а также негорючие минеральные примеси, образующие после сгорания топлива золу АР и влагу WP. Если отобрать пробу твердого или жидкого рабочего топлива и исследовать ее в химической лаборатории, определив элементарный химический состав, то получим следующее равенство:

В этой формуле содержание каждого элемента в пробе выражается в масс. %. Указанные элементы не составляют механическую смесь, а находятся в топливе в виде сложных химических соединений. Однако применяемые в технике методы химического анализа твердых и жидких топлив не позволяют определить конкретный вид этих соединении.

Вся сера, находящаяся в топливе, делится на две части: горючую (летучую) сера входит в состав золы. Летучую серу можно разделить на две части:

органическую и колчеданную, находящуюся в соединении с железом: +.Сера в топливе является примесью нежелательной, так как ухудшает качество технологического продукта, отравляет окружающую среду и вредно действует на элементы конструкции печи.

Влага в топливе является балластной примесью, значительно снижающей тепловой эффект горения. Она своим присутствием уменьшает долю горючих элементов в единице массы или объема топлива и, испаряясь при горении топлива, отнимает часть его тепла. Влагу в твердом топливе подразделяют на внешнюю и гигроскопическую. В сухом месте топливо теряет внешнюю влагу и называется воздушно-сухим.

Оставшаяся гигроскопическая влага удаляется из пробы лабораторным путем.

Содержание минеральных примесей и влажность одного и того же топлива из разных месторождений и при разных способах добычи могут быть различными, они также могут изменяться при транспортировке и хранении. Поэтому для сравнительной оценки топлива ввели условные понятия сухой, горючей и органической масс, составляющие которых обозначаются теми же символами, что и рабочая масса, но, соответственно, с индексами “а”, “г”, “о”. Исключив в лаборатории из пробы рабочего топлива влагу и подвергнув остаток пробы химическому анализу, можно получить состав сухой массы топлива, который записывается по формуле Данные сухого состава используются для определения засоренности топлива золой. Исключая нз сухого состава таким же способом золу, получаем состав топлива по горючей массе (безводно-беззольный состав) По структуре горючей массы определяют истинный химический состав топлива того или иного месторождения, так как здесь исключено влияние метеорологических факторов и способов добычи. По этой массе также оценивают топливо как горючее. Наиболее полно оценить качество топлива, определить время его геологического образования можно по составу его органической массы, исключив серу Для определения состава одной массы топлива по данным состава другой массы пользуются формулами пересчета.

При нагревании твердого топлива без доступа воздуха оно распадается на две части: летучие вещества и твердый остаток – кокс. По количеству летучих веществ, выделяющихся из топлива при нагреве, судят о его качестве. У молодых и низкосортных топлив выход летучих больше. В летучие вещества переходит азот в виде сложных соединений с другими элементами, летучая сера, водород как в чистом виде, так и в соединениях с углеродом в виде различных углеводородов. После отгонки летучих веществ из топлива образуется коксовый остаток, в который переходит часть углерода (горючие вещества) и зола. Зола – это негорючая минеральная часть топлива, состоящая из Аl2О3, CaO, SiO2, Fe2O3 и др. Она образуется после сгорания топлива в виде сыпучей массы или сплавленных кусков, называемых шлаком.

Определение влажности, зольности и выхода летучих составляет содержание технического анализа твердого и жидкого топлив.

Возможности химического анализа газообразного топлива позволяют определить вид соединений, в которые объединены элементы этого топлива. Однако этот анализ основан на нагревании пробы газа, в результате чего влага, содержащаяся в исходном газе, удаляется и определяется состав сухого газа Влажность газообразного топлива задается обычно в виде содержания влаги в 1 м3 сухого газа, выраженного в граммах. В природном газе основной горючей частью является метан (80–98 об. %), в качестве инертных примесей выступают диоксид углерода (0,1–0,3 об. %), азот (1–14 об. %) и влага. В искусственных газах горючими составляющими являются водород, оксид углерода, метан, непредельные углеводороды. Искусственные газы сильно забалластированы инертными газами: азотом, диоксидом углерода, парами воды.

Теплота сгорания. Количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого, или 1 м3 газообразного топлива, называется теплотой сгорания топлива или теплотворной способностью топлива и измеряется соответственно в джоулях на килограмм или в джоулях на кубический метр. При сгорании рабочего топлива (р. т.) имеющаяся в нем влага нагревается до температуры кипения и испаряется, поглощая часть тепла, выделяемого при горении. В пар превращается также вода, образующаяся в ходе реакции окисления всех компонентов топлива, содержащих водород: 2Н + 0,5О2 = Н2О. Количество тепла, выделившегося при полном сгорании топлива, зависит от того, в каком агрегатном состоянии влага, присутствующая в продуктах сгорания, покидает зону горения.

Количество тепла, выделяющегося при полном сгорании единицы топлива при условии, что образующиеся при этом водяные пары конденсируются в зоне горения и находятся при температуре 273 К, называется высшей теплотой сгорания топлива. Для топлива определенного химического состава высшая теплота сгорания является физико-химической характеристикой.

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, выделяющегося в зоне горения топлива, меньше высшей теплоты сгорания.

Количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы топлива при условии, что испаряющаяся в процессе горения влага находится в продуктах сгорания в виде пара, охлажденного до 293К, называется низшей теплотой сгорания топлива. Низшая теплота сгорания является технической характеристикой топлива данного состава. Этой величиной определяется практическая ценность топлива.

Соотношение между высшей и низшей теплотам сгорания рабочего топлива выражается формулой:

где – количество тепла, необходимое для нагрева 1 кг воды от 273 К до 373 К плюс скрытая теплота парообразования за вычетом теплоты, выделяющейся при охлаждении пара от 373 К до 293 К, принимается равным 2,51 МДж/кг влаги;

– масса влаги, содержащейся в единице рабочего топлива (р. т.) и влаги, образовавшейся в результате окисления водорода топлива по реакции 2Н + 0,5О2 = Н2О, кг.

Согласно данной реакции, масса влаги, образовавшейся при сгорании жидкого и твердого топлива равна 9НР/100 и тогда сгорания рабочего топлива, выраженная в мегаджоулях на единицу массы, можно определить опытным путем, сжигая пробы топлива в калориметрах и рассчитывая искомую величину из теплового баланса калориметра.

Аналитический расчет теплоты сгорания твердого или жидкого топлива затруднен тем, что не известно, в виде каких химических соединений горючие элементы входят в состав этих топлив. На практике для расчета низшей теплоты сгорания твердого или жидкого рабочего топлива (, МДж/кг) по известному элементарному составу пользуются полуэмпирической формулой Д. И. Менделеева:

= 0,339 СР + 1,03 НР – 0,109 (ОР – ) – 0,0251 (9НР + WР).

Низшую теплоту сгорания газообразного топлива (Дж/м3) можно рассчитать, суммируя тепловые эффекты реакций окисления горючих компонентов топлива данного горючего компонента; СН4; С3Н8 и т.д. – содержание горючих компонентов в сухой массе газообразного топлива, об. %.

Условное топливо. Теплота сгорания различных видов топлива колеблется в широких пределах. Для мазута она составляет свыше МДж/кг, а для доменного газа около 4 МДж/м3. Для сравнительной оценки различных видов топлив, а также для составления технических отчетов о расходовании топлива на различных агрегатах и предприятиях и для планирования работы этих предприятий необходимо иметь некоторый масштаб сравнения. В качестве такого масштаба принято условное топливо (у. т.), низшая теплота сгорания которого равна 29,3 МДж/кг. Для выражения оцениваемого твердого или жидкого топлива через условное пользуются величиной калорийного эквивалента:

Калорийный эквивалент показывает сколько килограммов условного топлива нужно сжечь, чтобы получить столько же тепла, сколько выделяется при сжигании 1 кг рабочего топлива.

Для сопоставления газообразных видов топлив пользуются коэффициентом теплоплотности – теплота сгорания рабочего топлива, МДж/м3.

С помощью коэффициента теплоплотности оценивают также экономичность хранения и перевозки всех видов топлива. Например, торф имеет не только невысокий калорийный эквивалент, но и вследствие небольшой объемной массы, низкий коэффициент теплоплотности, что обусловливает его нетранспортабельность. Для хорошего угля Эк примерно в два раза больше, чем для хорошего торфа, а Эт – больше в 6– раз. Следовательно, для получения одного и того же количества тепла объем транспортируемого торфа почти в семь раз больше объема транспортируемого угля. В связи с этим торф, низкосортные угли и некоторые другие виды топлива относят к категории местных топлив.

Такое топливо, независимо от размеров его запасов, нецелесообразно транспортировать на значительные расстояния от мест добычи.

При расчете определяют расход воздуха или дутья, обогащенного кислородом, количество и состав продуктов сгорания и их физические параметры, теплоту сгорания топлива и температуру горения. Расчет горения сводится к составлению материального и теплового балансов процесса горения.

Исходными данными при этом являются: вид топлива, его химический состав, конструкция топливосжигательного устройства и значение коэффициента расхода воздуха, а также температура воздуха и топлива. Если в печи сжигается смешанный газ, то в качестве исходных данных задаются химические составы каждого из газов, составляющих смесь, и низшая теплота сгорания, которой должен обладать смешанный газ. Расчет горения начинают в этом случае с определения состава смешанного газа. С этой целью рассчитывают теплоту сгорания каждого газа.

Материальный баланс процесса горения составляют для определения расхода воздуха или дутья, обогащенного кислородом, количества и состава продуктов сгорания, а также их физических параметров. Расход кислорода и количество образующихся продуктов сгорания определяют из стехиометрических уравнений горения, записанных для 1 моля каждого горючего составляющего. Относя эти уравнения к определенной массе горючего (при расчете горения жидкого или твердого топлива) и выразив количества газообразных веществ в объемных единицах, делением их массы на значения плотностей, получают необходимое количество кислорода и выход продуктов сгорания. Расчет выполняют обычно на кг жидкого или твердого топлива. Так как 1 моль любого газа при нормальных условиях занимает одинаковый объем, равный 22,4 м3, то при расчете горения газообразного топлива расход кислорода и количество образующихся продуктов сгорания в 1 м3 определяют непосредственно из стехиометрических уравнений. Расчет выполняют обычно на 100 м3 газа.

Если в качестве источника кислорода используется воздух, то его расход определяют следующим образом. Содержание кислорода в сухом воздухе составляет 23,2 масс. % или 21 об. %. Остальную часть воздуха составляет азот. Следовательно, масса азота будет в 76,8/23,2 = 3,31 раз больше, чем масса кислорода, а его объем в 79/21 = 3,76 раза больше, чем объем кислорода. Определив из стехиометрических уравнений необходимый расход кислорода, рассчитывают далее теоретически необходимый расход воздуха.

Если для горения используется дутье, обогащенное кислородом, то теоретический расход дутья можно определить по формуле, где О2 – содержание кислорода в дутье, выраженное в долях от единицы;

Vo2 – расход кислорода, определенный из стехиометрических уравнений, м3. На практике расход окислителя, как правило, не соответствует теоретически необходимому, что связано с несовершенством горелочных устройств, либо диктуется особенностями технологического процесса в печи. Действительный расход воздуха определяют по формуле, где n – коэффициент расхода воздуха. При применении обогащенного дутья, содержащего более 21 об. % O2, действительный расход дутья определяют по аналогичной формуле, где – коэффициент расхода кислорода.

При расчете количества и состава продуктов сгорания необходимо учитывать, что помимо диоксида углерода и водяных паров, образующихся в ходе реакций горения, в продукты сгорания переходят негорючие компоненты топлива и его влага в виде водяного пара, а также азот и влага воздуха или дутья, обогащенного кислородом. При сжигании топлива с n > 1 состав и количество продуктов сгорания изменяются из-за увеличения количества азота и перехода в продукты сгорания избыточного кислорода. При применении дутья, обогащенного кислородом, количество и состав продуктов сгорания определяют с учетом заданного соотношения N2/O2 в дутье. Увеличение содержания кислорода в дутье приводит к уменьшению количества образовавшихся при горении продуктов сгорания и изменению их состава. Материальный баланс процесса горения удобно представлять в виде таблицы.

Для последующих аэродинамических и тепловых расчетов печи необходимо определить плотность продуктов сгорания и парциальное давление трехатомных газов, входящих в их состав. Плотность продуктов где – масса продуктов сгорания, образующихся при сжигании единицы топлива.

При сжигании 1 м3 газа образуется продуктов сгорания, кг где dr – влажность топлива, г/м ; 1,306 – плотность влажного воздуха, кг/м3; – плотность сухого газа, кг/м3, = 0,01 [1,96 СО2 + 1,52 H2S+ l,25 N2 + 1,43 О2+ 1,25 СО + 0,09 Н2 + Масса продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива, складывается из обеззоленной массы топлива и массы воздуха, подаваемого для горения, кг/(кгт) Парциальное давление трехатомных составляющих при нормальных Тепловой баланс процесса горения составляют для определения температуры горения. Под действительной температурой горения понимают ту температуру, которую приобретают продукты сгорания, покидающие зону горения. Эта температура зависит от теплоты сгорания топлива, конструкции и особенностей устройства для сжигания топлива, температуры топлива и воздуха, подаваемых в зону горения, величины потерь тепла в окружающую среду и от интенсивности протекания реакций диссоциации продуктов сгорания. Последний фактор начинает заметно сказываться при температуре горения ~ 2100 К, когда становятся заметными реакции разложения СO2 и Н2O, входящих в состав продуктов сгорания, сопровождающиеся поглощением тепла.

Тепловой баланс зоны горения выражается формулой где = cтTт, Дж/кг или Дж/м, физическое тепло топлива, вносимое им в эону горения;

, Дж/м3 – физическое тепло воздуха, вносимое им в зону горения;

Дж/м3 – тепло продуктов сгорания, покидающих зону горения;

Qн – потери тепла в зоне горения, связанные с химическим и механическим недожогом топлива, Дж/ед. топлива;

– потери тепла, связанные с диссоциацией продуктов сгорания в зоне горения, Дж/ед. топлива;

– потери тепла в окружающую среду, Дж/ед. топлива.

Подставив значения слагаемых в последнее уравнение, получим формулу для определения действительной температуры горения Определение действительной температуры горения аналитически или экспериментально представляет сложную задачу. В связи с этим в теплотехнических расчетах определяют обычно теоретическую или калориметрическую температуру горения.

Современные сожигательные устройства позволяют исключить нерегулируемый недожог (Qн = 0). Принимая условия в зоне горения адиабатными ( = 0), определяем теоретическую температуру горения На величины Т и Т значительное влияние оказывает подогрев воздуха и топлива, а также коэффициент расхода воздуха. Влияние подогрева тем больше, чем выше температура подогрева и чем ниже теплота сгорания топлива. Подогрев топлива и воздуха особенно важен при сжигании низкокалорийных газов в высокотемпературных печах, причем, в ряде случаев применение этих газов без подогрева становится просто невозможным.

Изменение коэффициента расхода воздуха сложным образом влияет на температуру горения. При n < 1 его увеличение приводит к росту действительной температуры горения, так как уменьшается Qн и возрастает QBф. Эти два фактора оказывают большее влияние, чем увеличение. При n > 1 увеличение коэффициента расхода воздуха приводит к понижению действительной температуры горения, так как при n 1 химический недожог отсутствует, но имеет место увеличение объема продуктов сгорания, что приводит к снижению температуры горения.

Калориметрическая температура горения определяется для адиабатных условий в предположении отсутствия потерь тепла, связанных с диссоциацией продуктов сгорания ( 0) Если подогрев топлива и воздуха невелик или полностью отсутствует, то В формулы, при помощи которых определяются температуры горения, входит теплоемкость продуктов сгорания, которая является функцией температуры. В связи с этим калориметрическую температуру определяют методом последовательных приближений, используя понятие объемной Раздел 3 Огнеупорные и теплоизоляционные материалы Тема 3.1 Огнеупорные материалы Огнеупорами называют материалы, изготовляемые на основе минерального сырья и отличающиеся способностью сохранять без существенных нарушений свои функциональные свойства в разнообразных условиях службы при высоких температурах.

Интенсификация всех процессов, протекающих при высоких температурах, требует повышения рабочих свойств огнеупорных изделий.

Металлургическое производство потребляет основное количество огнеупоров (60–70 %). Огнеупорные материалы широко используют также в стекольной, цементной, атомной промышленностях и в ракетостроении.

Качество применяемых в промышленности огнеупоров влияет на производительность агрегатов, на качество готовой продукции и на стоимость единицы продукции. В производстве при применении огнеупоров главной задачей является соответствие их свойств условиям службы при обязательном требовании, чтобы их стоимость была экономически приемлемой.

Применяемые в промышленности огнеупоры делят на изделия, которым и изготовлении придается определенная форма (кирпичи, фасонные изделия, крупные блоки) и неформованные материалы (бетоны, торкрет-массы, мертели).

В основу классификации огнеупорных изделий положено шесть основных признаков:

– химико-минеральный состав;

– огнеупорность;

– пористость;

– способ формования;

– термическая обработка;

1. По химико-минеральному составу изделия делят на следующие группы, зависящие от содержания оксидов (масс. %), определяющих их свойства:

– кремнеземистые: динасовые (SiO2 93); кварцевые (SiO2 85);

– алюмосиликатные: полукислые (SiO2 < 85), шамотные (Аl2О3 28– 45), муллитокремнеземистые (А12О3 45–62), муллитовые (А12О3 62–72), муллито- корундовые (А12О3 72–90);

– глиноземистые – корундовые (Аl2О3 > 90);

– магнезиальные-периклазовые (магнезитовые) (MgO 85);

– магнезиальноизвестковые: периклазоизвестковые (магнезитодоломитовые) (MgO 35–75; СаО 15–40); известковопериклазовые (доломитовые) (MgO 10–50; СаО 45–85);

хромитопериклазовые (MgO 40–60; Сг2О3 15–35); хромитовые (MgO < 40;

Сг2О3 > 30);

– периклазошпинельные (MgO > 40; Аl2О3 5–55); шпинельные (MgO 25–40; А12О3 55–70);

– магнезиальносиликатные: периклазофорстеритовые (MgO 65–85;

форстеритохромитовые (MgO 45–60; SiO2 20–30; Сг2О3 5–15);

– углеродистые с огнеупорной основой С (углеродсодержащие, неграфититированные, графитшамотные);

(карбидкремниевые, карбидкремнийсодержащие);

– цирконовые с огнеупорной основой ZrO2, (цирконовые, циркониевые);

– оксидные с огнеупорной основой Аl2О3, TiO2, BeO, НfO2, (корундовые, титановые, берилловые, гафниевые);

– некислородные (нитридные, боридные, сульфидные).

Техническая классификация огнеупорных изделий. На заводах применяют техническую классификацию, в соответствии с которой все огнеупоры делятся на три группы:

– кислые (в составе преобладает оксид SiO2);

– нейтральные (содержащие высокий процент С или Сг2О3);

– основные (с преобладающим содержанием основных оксидов (MgO, СаО).

2. По огнеупорности все огнеупоры разделяют на три группы:

– огнеупорные (огнеупорность 1580–1770 °С;

– высокоогнеупорные (огнеупорность 1770–2000 °С);

– высшей огнеупорности (огнеупорность > 2000 °С).

3. По пористости огнеупоры разделяют на группы:

– особоплотные (с открытой пористостью до 3 %);

– высокоплотные (с открытой пористостью 3–10 %);

– плотные (с открытой пористостью 10–16 %);

– уплотненные (с открытой пористостью 16–20 %);

– среднепористые (с открытой пористостью 20–30 %);

– повышеннопористые (с открытой пористостью 30–45 %);

– легковесные (с общей пористостью 45–85 %);

– ультралегковесные (с общей пористостью > 85%).

4. По способу формования:

– пластичноформованные;

– полусухого формования из масс малопластичных или из порошков с добавкой связующего материала, изготовленные путем механического, гидравлического или вибрационного прессования; при изготовлении крупных блоков применяется пресстрамбование;

– плавленые, литые из расплава, получаемого обычно путем электроплавки;

– литые, изготовленные путем литья из жидкого шликера в специальные формы (пеноизделия);

– термопластичнопрессованные, изготовленные прессованием из шихты, в которой введены термопластичные добавки (парафин, воск);

– горячепрессованные;

– изготовленные горячим прессованием из масс, нагретых до пластичного состояния;

– пиленые из естественных горных пород или из специально изготовленных блоков;

– волокнистые, полученные путем расщепления расплава струей острого перегретого пара.

5. По термической обработке:

– обожженные, обжигаемые в печах в процессе изготовления изделий;

– безобжиговые, не подвергавшиеся обжигу до употребления в кладку;

– плавленые, подвергнутые отжигу после отливки;

– горячепрессованные.

6. По форме и размерам различают: