Теплопотери через стенки конвертера

Тепловой поток через стенки конвертера представляет собой поток через стенку трубы, диаметр которой изменяется по длине трубы. Расчетные формулы теплопередачи для такой трубы довольно громоздки, поэтому при практических расчетах применяются некоторые упрощения. Если толщина стенки трубы мала по сравнению с диаметром, то влиянием кривизны стенки трубы можно пренебречь. Тогда расчет теплопередачи через стенки трубы можно производить по формулам для плоской стенки.

Общая теплоотдающая поверхность S _S рассчитывается по средней толщине стенок конвертера.

Тепловой поток на 1 м² расчетной поверхности равен q, Вт/м²,

q = K (Т _внутр – Т _возд),

где K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м² · К); Т _возд – температура окружающего воздуха вдали от стенки, К; Т _внутр – температура внутренней поверхности стенки, К.

Коэффициент теплопередачи K, Вт/(м² · К), через плоскую стенку определяется по формуле

,

где a₁ – коэффициент теплоотдачи от внутренней полости к внутренней поверхности стенки конвертера, Вт/(м² · К); a₂ – суммарный коэффициент теплоотдачи наружной поверхности стенки к окружающему воздуху, Вт/(м² · К); l _i – теплопроводность каждого слоя материала стенки, Вт/(м² · К); d _i – толщина отдельного слоя материала стенки конвертера, м.

При непосредственном прилегании жидкости металла к стенке значение 1/a₁ будет приближаться к нулю и им можно пренебречь. При этом температура внутренней поверхности будет равна температуре внутренней среды.

Для определения значения a₂ нужно знать температуру наружной поверхности стенки конвертера, которая нам пока не известна. Поэтому значение a₂ приходится задавать, а затем – уточнять после определения этой температуры.

Среднюю за плавку температуру тепловоспринимающей (внутренней) поверхности стенок конвертера считаем равной 1773 К (1500 ^оС). Температура окружающего воздуха (вдали от стенок конвертера) равна 303 К (30 ^оС).

α, Вт/(м² · К)

Суммарный коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки к окружающему воздуху зависит от теплоотдачи конвекцией и лучеиспусканием:

a₂ = a_конв + a_изл.

Значение конвективной составляющей суммарного коэффициента теплоотдачи зависит от положения теплоотдающей поверхнос­ти. Для горизонтальной стенки, обращенной теплоотдающей поверхностью кверху, она на 30 % больше, чем для вертикальной. Для горизонтальной стенки, обращенной теплоотдающей поверхностью книзу, соответственно, на 30 % меньше.

Значения суммарных коэффициентов теплоотдачи для различных положений поверхности в зависимости от ее температуры при температуре окружающего воздуха 303 К (30 ^оС) рассчитаны и показаны на рис. 5.1. Схема расчета приводится в прил. 2. Так как большая часть наружной поверхности конвертера близка к вертикальной поверхности, то приближенный расчет можно производить для всей теплоотдающей поверхности конвертера, пользуясь кривой 1.

Расчет теплопотерь через футеровку выполняем, предполагая, что вся футеровка конвертера выполнена аналогично футеровке его цилиндрической части. На самом деле устройство днища и шлемной части отличается от цилиндрической, а на цилиндрической части имеется кольцо. При более точных расчетах следует учитывать как различие в устройстве разных частей конвертера, так и положение теплоотдающей поверхности.

Сначала задаем значение суммарного коэффициента теплоотдачи наружной поверхности стенки конвертера a₂ окружающему воздуху. Примем a₂ = 22 Вт/(м² · К). Этому коэффициенту соответствует температура наружной стенки конвертера, равная 508 К (235 ^оС). Для определения средних значений теплопроводности отдельных слоев футеровки нужно знать температуры на стыках слоев. Эти температуры приходится задавать, а затем уточнять (после определения значений средней теплопроводности слоев). Задав температуры стыков слоев, получили средние температуры слоев Т (t) и для них рассчитали теплопроводности (см. прил. 3):

для арматурного слоя

l_а = 12,1 – 12,4 · 10^-3 (Т – 273) + 4,37 · 10^-6 (Т – 273)² =
= 8,97 Вт/(м · К);

для промежуточного слоя

l_п = 4,07-3,42 · 10^-3(Т – 273) + 1,26 · 10^-6 (Т – 273)² =
= 2,98 Вт/(м · К);

для рабочего слоя

l_р = 3,33 – 1,07 · 10^-3(Т – 273) + 0,293 · 10^-6 (Т – 273)² =
= 2,62 Вт/(м · К).

Здесь использованы формулы для определения значений l тех ма­териалов, которые выбраны для устройства футеровки (см. п. 4.2). Из-за отсутствия данных о теплопроводности набивной массы, за нее принята теплопроводность магнезитного обожженного высокопористого огнеупора. При расчете общего теплового сопротивления стенки учитывается тепловое сопротивление железного кожуха, так как оно чрезвычайно мало.

Отсюда находим

= 3,03 Вт/(м² · К);

q ₁ = 3,03 (1773 – 303) = 4454 Вт/м²;

Т _внеш = Т _внутр – q = 507 К (234 ^оС).

Температуре вертикальной теплоотдающей поверхности в
Т _внеш = 507 К (234 ^оС) соответствует суммарный коэффициент теплоотдачи, равный в 22 Вт/(м² · К). Присваиваем этому коэффициенту данное значение. Если разница больше 0,5 Вт/(м² · К), делается пересчет с целью приближения к заданному значению.

Температуру стыков можно определить аналогичным образом, подставляя в формулу (5.1) тепловое сопротивление не всей толщины стенки , а соответствующих слоев. Их можно определить и графическим способом [6]. На рис. 5.2 температуры стыков слоев определены графически и соответствуют заданным.

Общее количество тепла, теряемого поверхностью S _S в 1 с, равно q S _S (Дж).

Обозначим продолжительность плавки t_пл в минутах, садку конвертера по чугуну Т _о – в тоннах. Тогда теплопотери через стенки конвертера (в кДж) при расчете на 100 кг чугуна составят.

Q ₁ = 6 q S _S .

В настоящем расчете

Q ₁ = 6 · 4454 · (220,5 / 1000) (40/250) = 943 кДж,

где 220,5 – общая теплоотдающая поверхность стенок конвертера, м².

Дата добавления: 2015-07-18