Реферат за темою випускної роботи
Зміст
- Вступ
- Актуальність теми
- Мета і задачі дослідження
- Практична цінність результатів роботи
- Висновки
- Перелік посилань
Вступ
Доменна піч є шахтної піччю, призначеної для виплавки чавуну із залізних руд. Це єдиний металургійний об'єкт з виплавки первинного продукту чорної металургії. За умовами теплообміну доменні печі відносяться до печей з шаровим режимом, працюючим із щільним шаром.
Актуальність теми
У доменному виробництві проблема зниження витрати дорогого коксу залишається актуальною до теперішнього часу. Одним з рішень проблеми є використання замінників коксу (мазут, природний газ, пиловугільне паливо). Дане дослідження спрямоване на вивчення теплообмінних процесів, що відбуваються при вдуванні пиловугільного палива (ПВП).
Мета і задачі дослідження
Метою роботи є розробка методики розрахунку теплообмінних процесів в фурменій зоні доменної печі з умовою подачі ПВП і аналіз цих процесів.
Практична цінність результатів роботи
Дослідження теплообміну в фурменій зоні доменної печі дозволило розробити методику розрахунку теплообмінних процесів за допомогою конвекції і випромінювання. Встановлено чисельні значення для різної витрати пиловугільного палива. Робота дозволяє зробити висновок про ступінь важливості вдування пиловугільного палива та вплив її на економічні показники витрати коксу в печі. У роботі фурмена зона представляється сферичною порожниною, в якій відбувається інтенсивне горіння коксу і ПВП з утворенням відновлювальних горнових газів, що складаються з суміші газів СО, Н2. Між горновими газами і матеріалами на периферії фурменої зони відбувається теплообмін шляхом конвекції і випромінювання.
Для оцінки конвективного теплообміну розроблена наступна методика розрахунку. Щільність конвективного теплового потоку визначається за законом Ньютона-Рихмана [1]:
де αк – коэфіцієнт тепловіддачі конвекцією, Вт/(м2·К); Тф – температура газів в фурменій зоні, К; Тпр – температура продуктів доменної плавки та коксу, оточуючих фурмену зону, К.
Для визначення коефіцієнта тепловіддачі конвекцією в роботі пропонується модель руху газів в фурменій зоні, схема якої представлена на рисунку 1. Струмінь дуттєвого повітря, впадає в фурмену зону, розширюється, досягає протилежної «стінки», і розтікається по сферичній поверхні. При цьому можна виділити зони з різною інтенсивністю теплообміну. Зона інтенсивного теплообміну розташовується в місці удару струменя, з площею fінт і коефіцієнтом тепловіддачі αінт, а також зону зворотного потоку струменя, де коефіцієнт тепловіддачі αобр значно нижче.
Коефіцієнти тепловіддачі конвекцією в цих зонах знаходяться з критерію Нусельта [2]:
який, у свою чергу, визначається з критеріальною залежності [3]:
де критерій Рейнольдса [1]:
критерій Прандтля [2]:
(в формулах 1-5: w - розрахункові швидкості газів у зонах, м/с; d - розрахунковий розмір, м; ν – коефіцієнт кінематичної в'язкості, м2/с; коефіцієнт температуропровідності, м 2/с; λ – коефіцієнт теплопровідності фурмених газів, Вт/(м·К)).
Коефіцієнт впливу кута зустрічі струменя β і зворотного потоку з поверхнею фурменої зони φ визначаємо за таблицею 1 [3].
| β | 0 | 10 | 40 | 60 | 70 | 90 |
| φ | 1,00 | 1,05 | 1,85 | 2,32 | 2,42 | 2,50 |
Для зони інтенсивного теплообміну φ = 2,5; для запиленого потоку значення коефіцієнта: φ = (1+2,5)/2=1,7.
Розрахункові швидкості газів в зоні інтенсивної конвекції розраховуються з використанням формул Г.Н. Абрамовича [4]:
де w0 – швидкість витікання з фурми, м/с; dф.з. – діаметр фурменої зони, м; d0 – діаметр фурми, м.
Розрахункова товщина зворотного потоку l розр визначається як половина різниці радіуса фурменої зони і радіуса струменя в середині фурменої зони r стр. Останній визначається за наступною формулою Г.М. Абрамовича [4]:
где r0 – радіус фурми, м; rф.з. – радіус фурменої зони, м.
Приклад розрахунку щільності конвективного теплового потоку наведено для фурменої зони з витратою дуття Vд.(1)=1,881 м3/с, температурою дуття tдуття=1000 0С, dф.з.=1 м, d0=0,14 м. У дослідженні визначено, що площа інтенсивного теплообміну дорівнює 12% від загальної поверхні фурменої зони.
У разі максимально можливої витрати ПВП рівного 250 кг/т чавуну в роботі отримані наступні величини: αинт=111 Вт/(м2·К), αобр=29 Вт/(м2·К); середній коефіцієнт тепловіддачі дорівнює αср=0,12·111+0,88·29=35,2 Вт/(м2·К). Щільність теплового потоку (1), для tф=2000 0C и tпр=1500 0C, склала величину qк=17600 Вт/м2.
Щільність теплового потоку випромінюванням визначається за формулою Стефана-Больцмана [1]:
де приведений коэфіцієнт випромінювання [1]:
а наведена ступінь чорноти обсягу фурменої зони визначається за формулою [5,6]:
де εг – ступінь чорноти обсягу фурменої зони; εповерх – ступінь чорноти внутрішньої поверхні фурменої зони.
Ступінь чорноти обсягу фурменої зони визначається, з урахуванням відомого положення закону Кірхгофа про те, що ступінь чорноти, що характеризує інтенсивність випромінювання «ε» дорівнює поглинаючій здатності тіла «а». У зв'язку з тим, що горіння коксу і ПВП в фурменій зоні відбувається з утворенням двоатомних газів (СО, Н2), які, як відомо, практично не беруть участь в радіаційному теплообміні, випромінювати тепло можуть тільки щільні частинки . В обсязі фурменої зони відбувається практично миттєве згоряння частинок ПВП, в результаті чого утворюється запилений потік, що складається з розплавлених частинок золи. Поглинальна здатність запиленого потоку може бути визначена за методикою Кутателадзе-Боришанского [5]:
де К – ефективне значення коефіцієнта ослаблення променів в даному середовищі; l - довжина шляху променя, м.
Розрахунок поглинальної здатності проводиться в такій послідовності:
1.Вибор виду палива, що бере участь у горінні: ПВП і кокс.
2.Визначення діаметра частинок золи ПВП і коксу. Розрахунок діаметра частинки золи обраного виду палива проводиться з урахуванням їх зольності і щільності.
3.Расчет ефективного значення коефіцієнта ослаблення променів в даному середовищі [5]:
де Кn – ефективний коефіцієнт ослаблення, частки од. [5]; μ – густина запиленого газового потоку [5], F - середня питома поверхня пилу, м2/г,
де d – середній діаметр золи, мкм; ρ – щільність горючих речовин, кг/м3;
де Аc – вміст золи у використовуваному паливі, частки од.; G – витрата палива, кг/т чугуна; Vгг – вихід горнових газів, м3/т чавуну.
4.Рхзрахунок поглинальної здатності за формулою (7).
Залежність ступеня чорноти газового потоку від розміру частки і витрати ПВП представлена на рисунку 2, звідки видно, що ступінь чорноти обсягу досягає одиниці вже при досить малій подачі ПВП і будь-якому розмірі частинки.
Степень черноты поверхности фурменной зоны εповерх визначається як середньозважена величина для чавуну, коксу та шлаку і становить 0,47-0,51. Наведена ступінь чорноти із застосуванням ПВП становить величину, практично рівну εповерх, а щільність теплового потоку q (6) досягає 450 000 Вт/м2, для tф=2000 0C і tпр=1500 0C. Щільність теплового потоку без ПВП, тобто при спалюванні тільки коксу, складає всього 1100 Вт/м2. Отже, теплові потоки передаються конвекцією і випромінюванням складають: при спалюванні тільки коксу q∑=17600+1100=18700 Вт/м2, а при використанні ПВП q∑=17600+450000=467600 Вт/м2.
Висновок
На основі досліджень, проведених в роботі, була розроблена методика визначення теплових потоків у фурменої зоні переданих за допомогою конвекції і випромінювання. Запропонована методика дозволяє визначити чисельні значення теплових потоків і робить можливим їх порівняння. Величини потоків чисельно істотно розрізняються. Тепловий потік при використанні ПВП в 25 разів більше, ніж при спалюванні тільки коксу. З урахуванням даних висновків надалі дослідження будуть спрямовані на вивчення параметрів, які впливають на значення теоретичної і калориметричній температур, з умовою подачі ПВП, розрахунок перегріву продуктів доменної плавки.
Перелік посилань
1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача - М.: Энергия,1975. – 488с.
2. Казанцев Е.И. Промышленные печи - М.:Металлургия: Справочное руководство для расчетов и проектирования, 1975.-368 с.
3. Курбатов Ю.Л., Василенко Ю.Е. Металлургические печи: учебное пособие – Донецк: ГВУЗ «ДонНТУ», 2013. – 388 с.
4. Курбатов Ю.Л., Масс М.С., Кравцов В.В. и др. Гидрогазодинамика в теплотехнике – Донецк: Норд Пресс, 2009. – 234 с.
5. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче – М.: Гос. энергетическое издательство,1959. - 414 с.
6.Мишин И.В., Курбатов Ю.Л., Ярошевский С.Л. Методика расчета температуры продуктов плавки на выпуске при вдувании в горн дополнительных топлив: труды междунар. науч.-практ. конф.,18-21 сент. 2012 г. - Ек.: Уральский федеральный университет.