Читать онлайн «Тепловые и физико-химические процессы применительно к газовым плавильным печам: Учебное пособие»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» А. А. Черный ТЕПЛОВЫЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ГАЗОВЫМ ПЛАВИЛЬНЫМ ПЕЧАМ Учебное пособие Пенза 2008 УДК 669. 621. 74 Р е ц е н з е н т ы: Научный совет Пензенского научного центра; главный металлург ОАО «Пензадизельмаш» А. С. Белоусов Черный А. А. Тепловые и физико-химические процессы применительно к газовым плавильным печам: учебное пособие / А. А. Черный. – Пенза: Пензенский государственный университет, 2008. – 52с. Изложены физико-химические взаимодействия и теплопередача на разделе нагреваемый материал – горячие продукты сгорания смеси природного газа и воздуха при различных составах материала и газовоздушной смеси. Приводятся новые разработки применительно к газовым вагранкам. Учебное пособие разработано применительно к учебному процессу по кафедре «Машины и технология литейного производства». Оно может быть использовано при изучении курсов «Принципы инженерного творчества», «Термодинамика», «Печи литейных цехов», а также при выполнении курсовых и научно-исследовательских работ. В пособии использованы оригинальные разработки автора, являющиеся его интеллектуальной собственностью. © Черный А. А. , 2008 2  ВВЕДЕНИЕ Исследование физико-химического взаимодействия и теплопередачи на разделе нагреваемый материал – горячие продукты сгорания смеси природного газа и воздуха при различных составах материала и газовоздушной смеси носит фундаментальный характер. Основное требование к проведению научно-исследовательской работы (НИР) – выявление закономерностей воздействия высокотемпературных продуктов сгорания газообразного топлива на нагреваемый материал. Научным заделом выполнения НИР были положительные результаты по исследованию процессов горения газообразного топлива применительно к высокотемпературным плавильным печам. Ожидаемые результаты НИР – улучшение теплопередачи и уменьшение потерь материала при нагреве окисляющегося продуктами сгорания материала, снижение расхода топлива, достижение экологической чистоты процессов. Экономический эффект может быть достигнут от внедрения оптимальных технологических процессов. Результаты исследования могут быть использованы в различных отраслях промышленности, имеющих литейное производство, а также в учебном процессе в курсе «Печи литейных цехов». В связи со сложностью исследуемых процессов, влиянием многих факторов на показатели процессов выявление закономерностей возможно на основе экспериментальных исследований, физического и математического моделирования, обобщения теоретического прогнозирования и результатов исследований. 3  ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Qнр – низшая теплота сгорания природного газа, Дж/м3; gг, gвс, gгк – приведенный к нормальным условиям расход природного газа соответственно горелочной системой, одним соплом или одной горелкой, одним каналом горелочного сопла, м3/ч; gв, gвс, gвк – приведенный к нормальным условиям расход воздуха- окислителя соответственно горелочной системой, одним соплом или одной горелкой, одним каналом горелочного сопла, м3/ч; gс – приведенный к нормальным условиям общий расход газовоздушной смеси, м3/ч; do – диаметр канала горелочного сопла в выходном сечении, м; wг, wв – скорость истечения из канала соответственно горючего газа, воздуха, м/с; φн – угол раскрытия факела, град; α – коэффициент расхода (избытка) воздуха; Тв, Тг, Тс, Тк, Тпс, – температура соответственно воздуха-окислителя, горючего газа, газовоздушной смеси, в камере сжигания, продуктов сгорания, К; адис – степень диссоциации природного газа (метана); Тф – температура в точке по оси факела, где прекращалось повышение СО2 в продуктах сгорания, К; lв – длина зоны воспламенения газовоздушной смеси, принятая как расстояние от выходного сечения канала горелочного сопла до точки на осевой линии факела, где начинается повышение содержания СО2 в газовом потоке, м; lф – длина факела, принятая как расстояние от выходного сечения канала горелочного сопла, где прекращается повышение содержания СО2 в продуктах сгорания, м; α0 – коэффициент расхода воздуха, при котором достигается максимально возможная температура в факеле или в камере сжигания; Тф max,Tk max – достигаемая при α0 максимально возможная температура соответственно в факеле, в камере сжигания, К; П0 – периметр по кромкам горелочного сопла у выходного сечения, м; f0 – площадь выходного сечения горелочного сопла, м2; n0 – количество горелочных сопел; Dp – расстояние между осями горелочных сопел, м; Lc – расстояние между центрами выходных сечений каналов горелочных сопел, м; wc, w cг – скорость истечения газовоздушной смеси из канала горелочного сопла соответственно приведенная к нормальным условиям, с учетом Тс, м/с; Re – критерий Рейнольдса; DT, LT – соответственно диаметр и длина горелочного туннеля, м; 4 gгд, Гд – дополнительный расход природного газа га подсвечивание продуктов сгорания соответственно приведенный к нормальным условиям в м3/ч, в процентах от расхода природного газа на сжигание; dкд – диаметр канала для истечения дополнительно расходуемого природного газа, м; wгд – скорость истечения из канала с dкд дополнительно расходуемого природного газа, м/с; fпос – площадь выходного сечения щелевого канала горелочного сопла, м2; Ш0, Д0, dн,dв, dс – соответственно ширина, длина, наружный диаметр, внутренний диаметр, диаметр по средней линии щелевого канала горелочного сопла в выходном сечении, м; Rг – гидравлический радиус, м» dТН – наружный диаметр газораспределительной трубы, м; dг – диаметр отверстий для истечения горючего газа, м; Sг – расстояние между рядами отверстий для истечения горючего газа, м; εпс – степень черноты продуктов сгорания; δокч, δокс – толщина оксидной пленки на кусках нерасплавившегося над зоной плавления соответственно чугуна, стали, мм; Тмет – температура получаемого жидкого металла, К; GПП1, GПП2 – производительность печи по массе полученного жидкого металла соответственно за первый час плавки, за второй час плавки, кг/ч; ηТП – термический коэффициент полезного действия печи за период плавки; Умет – потери металла при плавке в печи, %; Х – количество опытов по плану проведения экспериментов; NN0 – количество опытов в центре плана (на среднем уровне независимых переменных); U9 – дисперсия опытов; A1, B1, C1, D1, E1 – величины первого фактора при условии A1 < C1 < E1 < D1 < B1; J1, O1, P1, T1 – показатели степени первого фактора в уравнении регрессии; A2, B2, C2, D2, E2 – величины второго фактора при условии A2 < C2 < E2 < D2 < B2; J2, O2, P2, T2 T1 – показатели степени второго фактора в уравнении регрессии; A3, B3, E3 – величины третьего фактора при условии A3 < E3 < B3; J3, O3 – показатели степени второго фактора в уравнении регрессии; Y(J) - величина J-го показатели процесса в соответствии с планом проведения экспериментов; FF(J), HH9J), LL(J) – соответственно величины первого, второго, третьего факторов для проверки точности математической модели и выполнения по ней расчетов; V1, U1,Q1,I1,M1,F1,G1,H1,K1,L1 – коэффициенты ортогонализации, определенные по величинам перового фактора; V2, U2,Q2,I2,M2,F2,G2,H2,K2,L2 – коэффициенты ортогонализации, определенные по величинам второго фактора; 5 V3, U3, Q3 – коэффициенты ортогонализации, определенные по величинам третьего фактора; B(J)- J-й коэффициент регрессии Z(J)- J-й определенный расчетом показатель процесса; T(J)- J-й рассчитанный t-критерий; K9 – количество статистически значимых коэффициентов регрессии; F6 – рассчитанный F-критерий; Y0(J) – величина J-го показателя процесса на среднем уровне независимых переменных; J – величина, изменяющаяся от 1 до X в программе RN и от 1 до NN0 в программе RD при шаге 1; lв lв lф lф Т ф + 111 кв = , кв = , кф = , кф = , кТ = .