Введение. Пирометаллургическое оборудование

ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 220301

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

УДК 662.99:669.013;669.04(075.84)

ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ: Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 220301 / Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». Сост.: О.А. Дубовиков, О.В. Зырянова,. СПб, 2013, 51 с.

Изложены цели и задачи дисциплины «Пирометаллургическое оборудование». Приведены теория и практика выполнения лабораторных работ. В приложениях представлена справочная информация, используемая при выполнении лабораторных работ.

Предназначены для студентов, обучающихся по специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств (в металлургии)».

Научный редактор проф. Н.М.Теляков

ã Национальный минерально-сырьевой

университет «Горный», 2013

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Пирометаллургическое оборудование» относится к циклу специальных дисциплин, формирующий профессиональный уровень инженера специальности 220301, специализирующегося в области автоматизации процессов и производств металлургии. Целью дисциплины является получение будущим специалистом знаний в области промышленного производства, которая служит объектом автоматизации для данной специализации в металлургии. При этом в дисциплине рассматривается та сторона металлургического производства, которая относится к аппаратурному оформлению технологических производств и их оборудованию. Важность знаний оборудования (его работы и расчетов) для специалиста в области автоматизации технологических процессов и производств определяется прежде всего тем, что именно оборудование выступает в качестве непосредственных объектов управления, через управление осуществляется воздействие на технологический процесс. Завершающим этапом в изучении дисциплины является выполнение курсового проекта.

Перед началом выполнения лабораторных работ каждый студент обязан детально ознакомиться с правилами техники безопасности в лаборатории и после проведения инструктажа по технике безопасности расписаться в соответствующем документе.

При выполнении каждой лабораторной работы предусматривается проведение собеседования с преподавателем, после чего студент приступает к выполнению эксперимента. По полученным экспериментальным данным производятся необходимые расчеты и, при необходимости, строятся графики. Результаты согласуются с преподавателем. По ходу выполнения работы студент оформляет отчет. Отчет о работе выполняется на белой бумаге стандартного размера (210×297 мм) и предваряется титульным листом установленной формы, содержит краткие сведения о цели выполненной работы и о теории данного процесса, описание методики исследования. Следует привести схему установки, экспериментальные данные свести в таблицы, представить необходимые расчеты и графики. На основании полученных данных сделать выводы по работе.

Защита отчета преследует цель закрепления и глубокого усвоения материала раздела, которому посвящена конкретная лабораторная работа. Защита отчета происходит в форме собеседования, где студент должен проявить знание теории исследуемого процесса, уметь самостоятельно объяснить и интерпретировать полученные экспериментальные данные, знать основные математические зависимости и владеть необходимыми расчетными методами. Работа считается законченной при условии успешной защиты экспериментальной работы и расчетной части.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА ИЗЛУЧЕНИЕМ

Цель работы. Изучение влияния некоторых факторов на процесс передачи тепла излучением.

Краткие сведения. Тепловое излучение - основной вид теплопередачи в высокотемпературных печах. Поэтому теплотехнически и технологически совершенная организация лучистого теплообмена в печах является одной из важнейших предпосылок достижения в них высоких производственных показателей, например таких, как удельный расход топлива, производительность агрегатов и т.д.

В работе рассмотрен один из основных законов излучения, характеризующий интенсивность передачи тепла от нагретого тела к нагреваемому телу.

По закону Стефана - Больцмана количество тепла прямо пропорционально температуре в четвертой степени. Плотность теплового потока передаваемого излучением можно рассчитать по формуле:

(1)

где: с_прив - приведенный коэффициент лучеиспускания, Вт/(м²·К⁴); T₁ и T₂ - температуры соответственно нагретого и нагреваемого тела, взятые по абсолютной термодинамической шкале Кельвина, К.

Значение с_прив для случая теплообмена излучением между двумя телами, из которых одно охватывает (или почти охватывает) другое, можно определить по формуле:

(2)

где: с ₀ = 5,67 - коэффициент лучеиспускания абсолютно чёрного тела; с ₁, F ₁и с ₂, F ₂ коэффициенты лучеиспускания и площади соответственно приёмника и излучателя.

Коэффициенты лучеиспускания различных тел зависят от их физических особенностей и приводятся в справочниках. Это позволяет в нашем случае определить численные значения (материал излучателя - шамот, материал приемника - окисленная медь).

Интенсивность теплоотдачи излучением можно оценить с помощью коэффициента теплоотдачи α_изл, который определяют на основании законов Стефана - Больцмана и Ньютона - Рихмана:

(3)

где: t₁ и t₂ - температуры соответственно нагретого и нагреваемого тела, взятые по термодинамической шкале Цельсия.

Описание установки. В схему установки входят: тепломер 5, охлаждаемый водой (нагреваемое тело); муфельная печь (излучатель) 6; прибор для измерения температуры 1 на рабочей поверхности тепломера; прибор для определения температуры поверхности излучателя 2; термопара приемника тепла 4; термопара излучателя 3; вентиль для регулирования расхода охлаждающей воды 7; ртутные термометры для измерения температуры воды на входе в тепломер 8 и на выходе из него 9; мерный сосуд 10.

Муфель печи имеет прямоугольное рабочее пространство размером 100×200×300 мм, разогреваемое нихромовой спиралью, намотанной на каркас футеровки муфеля. Рабочая температура муфеля до 900°С (рис. 1).

Для экспериментального определения коэффициента теплоотдачи использован медный водоохлаждаемый тепломер, заменяющий в рабочем положении одну из стенок лабораторной муфельной печи. Вода подводится к верхнему торцу тепломера и отводится, проделав в теле тепломера достаточно длинный зигзагообразный путь, через тот же торец. Температура поверхности тепломера, обращенной в печь, измеряется с помощью медькопелевой термопары, вмонтированной в него.

Рис. 1 Схема установки

Порядок выполнения работы.

Экспериментальная часть. Муфельная печь включается за полчаса до начала эксперимента. Перед установкой тепломера необходимо задать расход воды для его охлаждения. Для этого слегка приоткрыть игольчатый вентиль 7 и установить с помощью мерного сосуда 10 и секундомера расход около (3÷5)·10^-3 кг/с. Вычислить площадь рабочей поверхности тепломера. Открыть дверцу печи и опустить тепломер так, чтобы он перекрывал отверстие печи. Закрепив тепломер и следя за показаниями приборов 1 и 9 дождаться выхода тепломера в стационарный тепловой режим. Последний можно считать достигнутым, когда температура поверхности тепломера и воды на выходе из него сохраняется неизменной в течение 1-2 мин. Снять показания с приборов 1, 2 и термометров 8, 9. В дальнейшем следить за тем, чтобы вода на сливе из тепломера в воронку шла непрерывно и показания термометра 9 не выходили за шкалу. Верхний предел расхода воды ограничивается 12·10^-3 кг/с.

Исследовать влияние температуры излучателя на коэффициент теплоотдачи при постоянном расходе воды. Для этого отключить печь и, дождавшись падения температуры в печи на 50°С, снова включить ее. Снять замеры с приборов 1, 2 и термометров 8, 9. Провести опыты еще три раза, последовательно уменьшая температуру в печи на 20÷50°С. Замеры занести в таблицу 1.

Таблица 1

№ опыта	Температура,°С	Расход воды, м^3/с
в печи (излучателя) t 1	тепломера(приемника) t 2	воды на выходе из тепломера t вых	воды на входе в тепломера t вх

После окончания опытов отключить печь, поднять тепломер, но воду не перекрывать.

Расчетная часть. Количество тепла, переданное тепломеру за единицу времени, можно определить как разность теплосодержания охлаждающей воды на выходе и входе в тепломер:

,

(4)

где m_охл. - расход воды, кг/с; с = 4,19 - удельная теплоемкость воды.

Плотность теплового потока через поверхность тепломера:

(5)

где F - площадь поверхности тепломера, м².

Искомый коэффициент теплоотдачи:

(6)

В связи с тем, что около охлаждаемой пластины со стороны ее рабочей поверхности имеет место естественная конвекция воздуха, коэффициент теплоотдачи α_опытн является суммарным. Он учитывает и долю тепла, переданного конвекцией:

(7)

Полученное значение α_опытн сравнить с α_изл, рассчитанным по формулам (2) и (3).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА КОНВЕКЦИЕЙ

Цель работы. Выявить влияние некоторых факторов на процесс конвективной теплоотдачи от струи нагретого воздуха к охлаждаемой пластине и представить результаты опыта в виде критериальной зависимости.

Краткие сведения. Процесс передачи тепла конвекцией имеет сложную физическую природу, так как он определяется как теплофизическими характеристиками (теплопроводностью веществ, температурным градиентом), так и гидроаэродинамическими параметрами (скоростью жидкости или газа, плотностью, вязкостью).

Совокупность температур в разных точках жидкости или газов в определенный момент времени образует температурное поле этой жидкости или газе: t =f(x,y,z,τ). Неравномерное температурное поле в таких средах обуславливает различие плотности среды и приводит к вытеснению более легких слоев жидкости (газа) тяжелыми. Этот процесс, которому одновременно сопутствует и перенос тепла, называется естественной конвекцией.

Если жидкость или газ приводятся в движение внешними силами, то совокупность происходящих динамических и тепловых процессов называется вынужденной или принудительной конвекцией. В производственной практике наибольшее значение имеет конвективный теплообмен, происходящий на поверхности соприкосновения газ - жидкость, жидкость - твердое тело и т.д. Такой конкретный вид конвективного теплообмена называется конвективной теплоотдачей.

Основная характеристика конвективного теплообмена - количество тепла или плотность теплового потока, передаваемого от одной среды к другой. При конвективной теплоотдаче плотность теплового потока может быть определена по формуле Ньютона:

(1)

где: - коэффициент конвективной теплоотдачи от жидкой или газообразной среды к поверхности тела, Вт/(м²·К); t _среды - температура среды, °С; t _пов - температура поверхности тела, °С.

Сравнительно простой вид формулы (1) еще не говорит о простоте процесса конвективной теплоотдачи. Напротив, известно, что конвективная теплоотдача является сложным, зависящим от многочисленных факторов, процессом. Сложность процесса скрыта в коэффициенте теплоотдачи.

Существующая теория конвективного теплообмена позволяет производить теоретические расчеты коэффициентов теплоотдачи только для наиболее простых случаев, встречающихся в практике, поэтому чаще всего этот процесс анализируют с помощью теории подобия, используя критериальные зависимости. Обычно результаты экспериментальных данных представляют в виде критериальных уравнений типа - .

Описание установки. Установка состоит из: электрической трубчатой печи 9 и стального трубчатого воздухонагревателя типа рекуператора 11; воздуходувки 7; медного водоохлаждаемого тепломера 10; вариатора для регулирования расхода воздуха 8; диафрагмы 12 в комплекте с U -образным дифманометром 6 для измерения расхода воздуха; вентиля для регулирования расхода воды 1; ртутных термометров 2 для измерения температуры воды на входе и выходе из тепломера; переключателя термопар 5; пяти термопар 3 и милливольтметра 4 для измерения температуры поверхности пластины, воздуха на выходе из трубы и воздуха, набегающего на пластину; лабораторного автотрансформатора для изменения электрического режима работы печи 13 (рис. 2).

Рис. 2 Схема установки

Порядок выполнения работы.

Экспериментальная часть. Экспериментальная часть работы должна быть выполнена в условиях стационарного режима (температуры нагретого воздуха и пластины постоянны во времени). Для подготовки к работе необходимо установить с помощью вентиля 1 небольшой расход воды в медной пластине, измерив его с помощью мерного сосуда и секундомера, включить воздуходувку 7 и установить с помощью вариатора 8 по U -образному манометру 6 заданный расход воздуха. Воздуходувка должна работать в этом режиме до установления постоянной температуры воздуха, измеряемой пятой термопарой.

При выходе печи на стационарный режим поставить охлаждаемую пластину на заданном расстоянии от среза сопла воздухоподогревателя и при заданном угле наклона пластины после стабилизации температуры воды на выходе из пластины снять показания с ртутных термометров, поверхностных медькопелевых термопар (точки 0-4), медькопелевых термопар, измеряющих температуру нагретого воздуха на выходе из трубы (точка 6) и перед пластиной (точка 5). Одновременно измерить расход воды на охлаждаемой пластине и перепад давлений на воздушной диафрагме. Полученные данные занести в табл. 1.

Таблица 1

Номер опыта

Расстояние от пластины до сопла, мм

Угол наклона пластины., град.

Расход воды, кг/с

Перепад давления на диафрагме, мм вод. ст.

Температура, °С

поверхности пластины

воздуха

воды

t 0

t 1

t 2

t 3

t 4

t 5

t 6

t вх

t вых

Расчетная часть. Коэффициентом конвективной теплоотдачи называется количество тепла, приходящее от жидкости или газа к поверхности тела за счет конвекции и теплопроводности, отнесенное к единице площади тела, при разности температур между средой и поверхностью тела 1К за единицу времени:

(2)

где: Q _конв - количество тепла, переданное горячим воздухом поверхности охлаждаемой пластины за единицу времени, Дж; F - площадь рабочей поверхности пластины, м²; t _среды - температура воздуха, омывающего поверхность пластины (точка 5), °С; t _noв.cp. - средняя температура поверхности пластины, °С; τ- время опыта, с.

При стационарном режиме работы установки количество тепла, приходящее с воздухом к пластине за единицу времени, равно количеству тепла, отводимого от пластины охлаждаемой водой Q _охл:

(3)

где m_охл - расход воды, кг/с; с = 4,19 - удельная теплоемкость воды.

Средняя температура поверхности охлаждаемой пластины определяется как среднее арифметическое температур пяти термопар, установленных на поверхности пластины:

(4)

Заданный расход воздуха, входящего в нагревательную печь, вычисляется по перепаду давления на диафрагме, измеренному U - образным дифманометром:

м^3/с

(5)

где - перепад давлений на диафрагме, кг/м².

Расход воздуха на выходе из нагревательной трубы определяется с учетом нагрева его в воздухонагревателе:

, м^3/с

(6)

Скорость воздуха:

, м/с

(7)

где: d ₀ = 12·10^{-3 м} - диаметр концевого отверстия, из которого происходит истечение нагретого воздуха.

Обработка полученных экспериментальных данных в критериальном виде позволяет обобщить результаты единичных замеров и распространить их на целый класс явлений.

Известно, что для описания процессов конвективной теплоотдачи при принудительном движении жидкости или газов в условиях взаимодействия симметричной струи с пластиной, расположенной на пути движения потока, используются следующие критерии: критерий Нуссельта (Nu), или критерий конвективного теплообмена; критерий Рейнольдса (Re), определяющий характер принудительного движения газа; критерий Прандтля (Рr), определяющий свойства движущейся среды при заданной температуре.

,

(8)

где - коэффициент теплопроводности воздуха при данной температуре, Вт/(м·К).

,

(9)

где ν- кинематический коэффициент вязкости газа, м²/с.

(10)

где а - коэффициент температуропроводности газа, м²/с.

Экспериментальные данные следует обработать в виде критериального уравнения:

(11)

Уравнение (11) представляют в виде степенных зависимостей типа:

(12)

где: c, m, n - числовые коэффициенты, которые следует определять с помощью имеющихся экспериментальных данных, необходимые для расчетов данные по свойствам воздуха взять из справочной литературы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ РЕКУПЕРАТОРА

Цель работы. Определение основных конструктивных характеристик металлического трубчатого рекуператора.

Краткие сведения. Промышленные печи теряют значительное количество тепла, уносимого из рабочего пространства отходящими газами. Эти потери составляют от 30 до 60% общего расхода тепла в печах. Используя это тепло можно сэкономить сотни тонн топлива и тысячи киловатт-часов электроэнергии в сутки, а на некоторых заводах полностью покрыть собственные потребности в электроэнергии, паре, горячей воде.

В лабораторной работе исследуется работа рекуператора, предназначенного для подогрева воздуха. Расчет производится на основе теории подобия с использованием модельных опытов. Результаты опытов, полученные на моделях, при соблюдении определенных условий можно переносить на промышленные образцы, пользуясь теорией подобия.

Работа рекуператора определяется закономерностями конвективного теплообмена, происходящего между движущимся газом и поверхностью твердого тела при их соприкосновении.

Процесс конвективного теплообмена описывает дифференциальное уравнение Фурье - Кирхгофа.

На основании этого уравнения и второй теоремы подобия, которая говорит о том, что закономерности явлений могут быть выражены через критерии подобия в виде критериальных уравнений, справедливых для всех подобных между собой явлений, можно написать в общем виде критериальное уравнение конвективного теплообмена для модели рекуператора и его промышленного образца:

Nu = f(Re, Gr, Pr, Fo),

(1)

где: Nu - критерий конвективной теплоотдачи Нуссельта; Re - критерий Рейнольдса, определяющий характер движения газа и характеризующий искусственную конвенцию; Gr - критерий Грасгофа, характеризующий процесс естественной конвекции газов; Pr - критерий Прандтля (подобия, температурных и скоростных полей); Fо - временной критерий Фурье (безразмерное время).

При вынужденном движении воздуха в рекуператорах в условиях стационарного теплообмена из уравнения (1) выпадает критерий Фурье. В уравнении можно пренебречь и влиянием естественной конвекции, т.е. критерием Грасгофа. Поскольку пределы изменения температур воздуха сравнительно небольшие, критерий Прандтля можно считать постоянным, и процесс теплообмена практически независим от него. Таким образом, конвективный обмен для нашего случая определяется следующим критериальным уравнением:

Nu = f(Re, Pr) или	(2)
	(3)
где:	(4)	(5)

α_конв. - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м²·К); l - линейный размер, характерный для системы, м; λ - коэффициент теплопроводности газа, Вт/(м·К); W - скорость движения газа в трубе, м/с; ν - кинематический коэффициент вязкости газа, м²/с.

Обычно критериальные уравнения имеют вид степенных функций - Nu=с Reⁿ·Pr^m, где с, n, m коэффициенты, найденные экспериментально (обработкой большого числа опытов определенного класса явлений).

Частный вид критериального уравнения, определяющего процесс конвективного теплообмена, может быть определен моделированием. Чтобы полученные на модели результаты можно было использовать для расчета самого рекуператора, при создании модели требуется соблюсти определенные условия, диктуемые теорией подобия. Во-первых, изготовленная модель должна быть геометрически подобна образцу и, во-вторых, определяющий критерий Re, от которого зависят основные закономерности рассматриваемого явления, для модели и для образца должен быть одинаков.

Описание установки. Модельная установка состоит из модели трубчатого рекуператора 7, обогреваемого снаружи за счет электрической спирали нагревательной печи 6, и воздуходувки 2 (рис. 1).

Рис. 1. Схема установки

Количество подаваемого в печь воздуха регулируется с помощью вариатора 1 и измеряется с помощью потери напора на диафрагме 3, определяемого U -образным манометром 5. Температуру воздуха на выходе и входе из рекуператора, а также температуру его поверхности, по длине измеряют хромелькопелевыми термопарами, присоединенными к милливольтметру 4 через переключатель 8.

Модель металлического рекуператора, выполненная из нержавеющей стали, представляет собой трубу диаметром 50 мм, толщиной 5 мм, длиной 660 мм, внутрь которой вварены четыре металлические пластинки толщиной 2 мм, располагающиеся друг относительно друга под углом 90°. Площадь поверхности теплообмена модели рекуператора составляет F_moд.=0,1 м².

В качестве линейного размера, характерного для системы, выбираем гидравлический диаметр рекуператора:

=1,57·10^-2м

(6)

где: f_мод=1,1∙10^-3м²- площадь свободного сечения модели рекуператора; Р_мод=2,8·10^-1м - периметр сечения рекуператора.

Порядок выполнения работы.

Экспериментальная часть. За 2 часа до начала работы необходимо включить печь, работающую от вариатора (U =100 В). Пылесос включить за 10 мин до проведения замеров при максимальном расходе воздуха. Провести все необходимые замеры на четырех дутьевых режимах.

Температуры, измеренные в милливольтах с помощью хромелькопелевых термопар, перевести в градусы с учетом поправки на температуру холодного спая. Полученные данные использовать для проведения расчетов.

Расчетная часть. Определение частного вида критериального уравнения начинается с расчета отдельных величин, входящих в критерии, при различных расходах дутья, проходящего через рекуператор, на основании полученных экспериментальных данных.

Коэффициенты теплоотдачи конвекции, входящие в критерий Nu, определяют по формуле Ньютона.

(7)

где: Q - количество тепла, переданное от стенки рекуператора к воздуху конвекцией, Дж; t_ст.ср. - средняя температура стенки рекуператора, °С; t_{возд.ср.} - средняя температура воздуха, прошедшего через рекуператор, °С; F _мод - площадь поверхности теплообмена рекуператора, м²; τ – время, с.

Тепловой поток (количество тепла за единицу времени)

(8)

где c_v - теплоемкость воздуха при средней температуре воздуха, Дж/(м³·°С); t₆ и t ₁ - температура воздуха, соответственно выходящего из рекуператора и входящего в него, °С; V₀ - расход воздуха, проходящего через рекуператор при нормальных условиях, м³/с.

(9)

V₁ - расход воздуха, определяемый для условий входа воздуха в рекуператор равный

(10)

где:Δ Н - перепад давления на U -образном манометре, кг/м².

Средняя температура стенки рекуператора вычисляется как среднее арифметическое четырех значений температуры, измеренных на поверхности трубы по длине рекуператора (термопарами 2, 3, 4, 5):

(11)

Средняя температура нагреваемого воздуха t_{возд.ср.} вычисляется как среднее арифметическое температур на входе в рекуператор и выходе из него:

(12)

Площадь поверхности теплообмена F_мод.=0,1м² вычисляется как сумма площади внутренней поверхности трубы и площади поверхности пластин внутри трубы.

Имея все необходимые данные, по формуле (7) можно вычислить α_конв. Коэффициент теплопроводности воздуха определяется по справочным таблицам для средней температуры воздуха. Зная: α_конв, D_мод и λ можно определить по формуле (4) значения критерия Nu.

Значение критерия Re находят по формуле (5). При этом значения скорости определяют по формуле:

(13)

где: V_{t (мод)}- расход воздуха, проходящего через модель при средней температуре воздуха, м³/с. При вычислении критерия Re так же, как и при вычислении критерия Nu, за определяющий размер принимаем гидравлический диаметр модели рекуператора D_мод.

Значения кинематического коэффициента вязкости ν выбирают по справочным таблицам в зависимости от средней температуры воздуха.

При изменении режима работы установки (разные расходы воздуха) необходимо получить несколько значений критерия Nu при соответствующих ему значениях критерия Re.

По экспериментальным точкам определяют значения с, n и m а следовательно, и раскрывают вид функции (3). Полученное критериальное уравнение описывает процесс конвективного теплообмена в модели рекуператора и в подобном ему промышленном рекуператоре, что позволяет использовать это уравнение для расчета промышленного рекуператора.

Дата добавления: 2015-07-25