Тинькова С.М., Веретнова Т.А. Металлургическая теплотехника

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

Авторы:

С.М.Тинькова, Т.А.Веретнова

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА

Методические указания по выполнению

лабораторных работ

Красноярск

2007

Металлургическая теплотехника: Методические указания по выполне-

нию лабораторных работ /С.М.Тинькова,Т.А.Веретнова; ГОУ ВПО «СФУ»,

2007

Методические указания составлены в соответствии с Федеральным го-

сударственным образовательным стандартом высшего профессионального

образования по укрупненной группе 150000 «Металлургия, машиностроение

и материалообработка» направления 150100 Металлургия.

Дан краткий теоретический обзор к каждой теме лабораторной работы,

подробное описание экспериментальной установки, методические указания

по технике проведения эксперимента и обработки результатов. Приведены

вопросы для самоподготовки студентов к защите лабораторных работ.

Для студентов – бакалавров, изучающих теплотехнические дисципли-

ны.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Общие положения. ......................................................................................... 4

Лабораторная работа 1 Тепловой баланс электрической печи ............... 6

Лабораторная работа 2 Определение коэффициентов теплоотдачи и

теплопередачи в элементе рекуператора ................................................. 12

Лабораторная работа 3 Исследование тепловых потерь одно- и

двухслойной стенкой ................................................................................... 18

Лабораторная работа 4 Определение теплоты сгорания твердого и

жидкого топлива ........................................................................................... 25

Лабораторная работа 5 Определение коэффициентов

теплопроводности огнеупорных материалов ........................................... 34

Приложение 1 Теплофизические характеристики огнеупорных и

теплоизоляционных материалов. ............................................................... 39

Приложение 2 Физические параметры сухого воздуха при давлении

101,3 кПа ....................................................................................................... 40

Библиографический список ......................................................................... 41

Общие положения.

Целью каждой работы является более глубокое усвоение материала, а

также приобретение необходимых навыков при проведении измерений, по-

становке эксперимента и обработке его результатов.

Выполнение каждой работы включает три этапа.

1. Подготовка к работе. На этом этапе следует изучить краткие теоре-

тические сведения, относящиеся к данной теме. Непосредственно в лабора-

тории по данным методическим указаниям необходимо уяснить устройство

экспериментальной установки и получить четкое представление о порядке

проведения опыта.

По примеру образца, имеющегося в описании каждой лабораторной

работе, студент должен подготовить таблицу для записи результатов экспе-

римента. Окончив подготовку, нужно уметь сформулировать цель работы,

показать знание устройства установки и хода проведения работы. После это-

го краткого индивидуального опроса преподаватель допускает студента к ра-

боте.

2. Проведение опыта. Пуск установки производится только с разре-

шения преподавателя и, как правило, в его присутствии (если установка дол-

го выходит на режим, она может быть включена заранее лаборантом).

В процессе проведения опыта каждый студент заносит результаты из-

мерений в свою таблицу наблюдений, которую по окончании заверяет пре-

подаватель. Таблица наблюдений является документом, удостоверяющим

участие студента в работе, и исходным материалом для дальнейших расче-

тов.

Работа считается выполненной только при обязательном расчете пара-

метров первого режима, остальные расчеты и оформление отчета проводится

самостоятельно как домашняя работа.

3. Оформление отчета. Отчет о работе оформляется в соответствии с

СТП-ГАЦМиЗ-7.99 «Лабораторные работы. Структура и правила оформле-

ния отчетов».

Готовый отчет должен быть представлен на следующем занятии и, как

правило защищен. При отсутствии отчета студент не допускается к работе.

В процессе защиты студент должен показать знание теоретического

материала, техники и методики эксперимента, умение анализировать полу-

ченные результаты и связывать их с процессами в реальных установках и ус-

ловиях. Результатом защиты является дифференцированная оценка.

Лабораторная работа 1

Тепловой баланс электрической печи

Цель работы

Ознакомление с конструкцией камерной печи и методом составления

теплового баланса.

Теоретическое введение.

Тепловой баланс действующей печи составляют с целью определения

технико-экономических показателей и путей повышения эффективности ее

работы

Тепловой баланс составляется на единицу времени или на период вре-

мени и представляет собой уравнение, связывающее приход и расход тепло-

ты.

∑Q

= ∑Q

; (1.1)

где ∑Q

– приходные статьи баланса;

∑Q

- расходные статьи баланса.

Для электрической печи уравнение теплового баланса (I) в развернутом

виде следующее:

= Q

+ Q

кл

+ Q

изл

ак

+ Q

пр

; (1.2)

где Q

– приход теплоты от электронагревателя;

– теплота, пошедшая на нагрев изделия;

кл

– потери теплоты в результате теплопроводности через стены, под и

свод;

изл

- потери теплоты излучением через открытое окно печи;

ак

–теплота, аккумулированная кладкой (затраченная на нагрев клад-

ки);

пр

–прочие потери теплоты (например, потери через металлические

выводы нагревателей, называемые потерей теплоты на тепловые короткие

замыкания).

Одним из теплотехнических показателей работы печи является тепло-

вой коэффициент полезного действия η. Для электрической печи:

η =

·100, % (1.3)

Описание установки

Камерная печь (рис. 1.1) служит для нагрева мелких изделий. Она име-

ет стальной кожух 1, футеровку 2 и нагревательные элементы 3, расположен-

ные на боковых стенках и своде и питающиеся от сети через автотрансфор-

матор 4. в торцевых стенах (передней и задней) имеются загрузочные окна,

закрываемые футерованными дверцами 5. В рабочей камере печи находится

нагреваемое цилиндрическое изделие 6. Температуру внутри печи, темпера-

туру пода, свода стен печи с внутренней и наружной стороны измеряют с

помощью автоматического потенциометра 7 и хромель-алюмелевых термо-

пар 8, которые подключены к потенциометру. Количество электроэнергии,

подаваемое на печь, определяют по счетчику 9, а также по показаниям ам-

перметра и вольтметра. Включение печи осуществляется выключателем 10.

Нагреваемое цилиндрическое изделие изготовлено из стали, его масса

5,5 кг,

Футеровка печи выполнена из пеношамотного кирпича. Размеры печи:

а) внутренние: длина 460мм, ширина 250мм, высота 250мм;

б) наружные: длина 600мм, ширина 580мм, высота 530мм;

в) ширина окна 180мм, высота 210мм;

г) толщина боковых стен и свода 180мм, пода 100мм, торцевых стен

60мм.

Последовательность проведения эксперимента.

Включить потенциометр для измерения и автоматической записи тем-

ператур, записать показания счетчика.

Включить печь, записать время, показания вольтметра и амперметра.

Разогреть печь до указанной преподавателем температуры в интервале

500-800°C.

По достижении заданной температуры открыть дверцы и посмотреть

расположение изделий и нагревателей в печи. Закрыть окно и записать время,

в течение которого окно было открыто. Во избежание ожогов быть осторож-

ным при открывании дверцы печи.

Записать время, показания амперметра и вольтметра, отключить печь,

затем потенциометр, записать показания счетчика и снять диаграммную лен-

ту.

Результаты измерений занести в таблицу (табл.1.1).

Обработка результатов эксперимента

Алгоритм расчетов приведен в таблице 1.2.

1. Количество теплоты, выделяемое электронагревателем

= (P

кон

– P

нач

)·3,6·10

(1.4)

или

= IUτ, (1.5)

где P

нач

и P

кон

– показания счетчика до включения и после отключения

печи, кВт·ч;

U – напряжение, В;

I – сила тока, А;

τ – время работы нагревателей (время цикла), с.

2. Количество теплоты, пошедшей на нагрев изделия

= mC

(

кон

–

нач

), (1.6)

где m – масса изделия, кг;

– средняя удельная теплоемкость материала изделия в пределах

температур от

нач

до

кон

, Дж/(кг·К);

нач

кон

– средние температуры изделия в начале и в конце нагрева,

равные полусумме температур центра и поверхности в начале и конце нагре-

ва, ºC.

3. Количество теплоты, теряемое через кладку печи, рассчитыва-

ется отдельно для четырех вертикальных стен, пода и свода по формуле

кл

= α

( t - t

)Fτ + 5,67[(

100

)

- (

100

)

]Fτ (1.7)

где t и T – температура наружной поверхности печи (стен, свода или

пода) в градусах Цельсия и Кельвина;

– температура окружающего воздуха, ºC;

F – площадь теплоотдающих поверхностей стен, свода и пода, м

;

ε – степень черноты поверхности печи, ε = 0,3;

– коэффициент теплоотдачи конвекцией рассчитывается по формуле,

Вт/(м

·К)

= С ( t - t

)

0,25

(1.8)

для вертикальной поверхности С = 2,6;

для горизонтальной поверхности, обращенной вверх С = 3,2;

для горизонтальной поверхности, обращенной вниз С = 1,6.

Температура поверхности передней стенки принимается равной темпе-

ратуре задней стенки.

4. Количество теплоты, теряемой излучением через открытое ок-

но

изл

= 5,67[(

100

)

- (

100

)

ок

Ф, (1.9)

где T

– температура печи, К; F

ок

– площадь окна, м

; τ

ок

– время, в те-

чение которого окно открыто, с; Ф – коэффициент диафрагмирования окна,

определяемый по рис. 1.1 в зависимости от ширины и высоты окна и толщи-

ны стенки печи.

1.0

0.8

0.6

0.4

0. 2

0 0.2 0.6 1.0 0.6 0.2 0

Отношение Отношение

ℓ / a или ℓ / d a / ℓ или d / ℓ

Рис. 1.1 Зависимость коэффициента диафрагмирования Ф

от формы отверстия в стенках толщиной ℓ.

Прямоугольные отверстия со сторонами а и b:

1 - a/b ≈ 0; 2 - a/b = 0,2; 3 - a/b = 0,5; 4 - a/b = 1.

Круглое отверстие диаметром d – кривая 5.

5. Теплота, аккумулированная кладкой печи,

ак

= V

кл

(

кл

кон

–

кл

нач

), (1.10)

где V

кл

– объем кладки печи, то есть объем свода, пода и всех стен, м

;

кл

– плотность материала кладки (пеношамотного кирпича), кг/м

;

кл

– средняя удельная теплоемкость кладки в пределах температур от

кл

нач

до

кл

кон

, Дж/(кг·К);

кл

нач

– средняя начальная температура кладки, ºC;

кл

нач

∑

(

вн

нач

нар

нач

);

кл

кон

– средняя конечная температура кладки, ºC;

кл

кон

∑

(

вн

кон

нар

кон

);

вн

– температура внутренних поверхностей четырех стен, свода и пода, ºC;

нар

– температура наружных поверхностей четырех стен, свода и пода, ºC.

Температура внутренних поверхностей левой и передней торцевой

стенок принимается равной температуре поверхностей соответственно пра-

вой и задней торцевой стенок.

6. Прочие тепловые потери

пр

= Q

– Q

кл

– Q

изл

– Q

ак.

По расчетным данным составляется таблица теплового баланса

(табл.1.3). Теплофизические характеристики пеношамотного кирпича и на-

греваемого стального цилиндра находят в таблицах приложений 1 и 2.

Таблица 1.1

Результаты измерений

Место замера температуры

Обозначение

на

схеме

Характеристика режима

нач

кВт·ч

кон

кВт·ч

J =

U =

нач

кон

Изд

елие

Поверхность

Исходная тем-

пература

Конечная темпе-

ратура

Центр t

Вну

тренняя поверхность

печи

Общая температура

печи возле свода

Правая стенка t

Торец печи t

Свод t

Под t