ПЗ ОП 06 Теплотехника

                 ГБПОУ «Чебаркульский профессиональный техникум»

                                          Методические указания

               к выполнению практических и лабораторных  работ

                   по  дисциплине ОП.06 Теплотехника

                           для специальности 150412 Обработка металлов давлением

                                        2016 г.

                                                Пояснительная записка

Методические указания к выполнению практических работ обучающимися по дисциплине ОП.06

Теплотехника предназначены для обучающихся по специальности 150412 Обработка металлов давлением.

Цель методических указаний: оказание помощи обучающимся в выполнении практических  работ по дисциплине ОП.06Теплотехника.

Настоящие методические указания содержат работы, которые позволят обучающимся самостоятельно овладеть фундаментальными знаниями, профессиональными умениями и навыками деятельности по дисциплине , опытом творческой и исследовательской деятельности и направлены на формирование   знаний и умений.

В результате выполнения практических  работ обучающиеся должны

уметь:

-  производить расчеты процессов горения и теплообмена в металлургических печах (нагревательных и плавильных).

знать:

          -  основные положения теплотехники и теплоэнергетики;

          -  назначение и свойства огнеупорных материалов;

          -  устройства и принципы действия металлургических печей;

          -  топливо металлургических печей и методику расчетов горения;

-  закономерности процессов тепломассообмена в металлургических печах

Описание каждой практической  работы содержит: тему, цели работы, задания, основной теоретический материал, порядок выполнения работы, формы контроля. Для получения дополнительной, более подробной информации по изучаемым вопросам, приведено учебно-методическое и информационное обеспечение.

                Тематический план практических   работ по дисциплине

                                            ОП.06     Теплотехника               

Название практической работы	Количество часов
Практическая работа № 1 Полный расчет горения газообразного топлива	6
Практическая   работа № 2 Расчет количества теплоты при свободной конвекции и при вынужденном движении	8
Практическая работа № 3 Расчет высоты дымовой трубы	6
Практическая  работа № 4 Расчет времени нагрева тонкого и массивного тел при постоянной температуре печи	6
Практическая  работа № 5 Составление теплового баланса печи	6
Итого	32 часа

                                            Практическая работа № 1

Тема : Полный расчет горения газообразного топлива

Цель: 1. Приобрести практические навыки при расчете горения газообразного топлива

Оборудование: тетрадь, ручка , карандаш, линейка

                                                        Ход работы

Низшая теплота сгорания топлива рассчитывается по формулам:

для жидкого топлива, кДж/кг топл.,

где  – содержание углерода, водорода, се­ры, кислорода, влаги в топливе (элементарный состав), % массовый;

для газообразного топлива, кДж/м³ топл.,

где Н₂, СО, H₂S и т.д. - объемное содержание газов, входящих в состав газообразного топлива, % объемный.

Высшая теплота сгорания топлива:

для жидкого топлива, кДж/кг,

для газообразного топлива, кДж/м³,

где  - объемное содержание газов, входящих
в газообразное топливо, в долях от единицы  - высшая теплота сгорания водорода, двуокиси углерода и т.д.

Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания:

1 кг жидкого топлива, м³/кг топл.,

1 нм³ газообразного топлива, м³/м³ топл., \

Для обеспечения полноты сгорания топлива практически
в печь подается воздух с избытком по сравнению с теоретическим.
Это характеризуется коэффициентом избытка воздуха.

Коэффициент избытка воздуха

где  - действительное и теоретическое количество воздуха, отнесенное к 1 кг или 1 м³ сжигаемого топ­лива, кг/кг топл., кг/м³топл.

Значения коэффициента избытка воздуха зависят от способа сжигания и вида топлива, принимаются по таблице:

Таблица 15.1 – Значение коэффициента избытка воздуха в печи

Вид топлива	Способ сжигания	Коэффициент избытка воздуха
Жидкое Жидкое Газообразное	Форсунки с паровым распылом Форсунки с воздушным распылом Горение в объеме	1,3...1,4 1,2.. 1,3 1,05.,.1,2

Состав продуктов сгорания. Продукты полного горения топлива состоят из двуокиси углевода СO₂ , двуокиси сернистого газа SO₂ , если в топливе есть сера, паров воды Н₂O, азота N₂ и избыточного кислорода O₂ .

При сжигании жидкого или твердого топлива, м³/кг топлива:

Объем трехатомных газов (СO₂ и SO₂)

Объем азота

Объем водяных паров

Объем кислорода

Суммарный объем продуктов сгорания

При сжигании газообразного топлива, м³/м³ топл.:

Объем трехатомных газов (СO₂ и SO₂)

Объем азота

Объем водяных паров

Объем кислорода

Суммарный объем продуктов сгорания

Энтальпия, кДж/кг топл., кДж/м³ топл., продуктов сгорания

воздуха

где  и т.д. – энтальпии газов, принимаются в зависимости от их температуры.

Низшая теплота сгорания топлива рассчитывается по формулам:

для жидкого топлива, кДж/кг топл.,

где  – содержание углерода, водорода, се­ры, кислорода, влаги в топливе (элементарный состав), % массовый;

для газообразного топлива, кДж/м³ топл.,

где Н₂, СО, H₂S и т.д. - объемное содержание газов, входящих в состав газообразного топлива, % объемный.

Высшая теплота сгорания топлива:

для жидкого топлива, кДж/кг,

для газообразного топлива, кДж/м³,

где  - объемное содержание газов, входящих
в газообразное топливо, в долях от единицы  - высшая теплота сгорания водорода, двуокиси углерода и т.д.

Теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания:

1 кг жидкого топлива, м³/кг топл.,

1 нм³ газообразного топлива, м³/м³ топл., \

Для обеспечения полноты сгорания топлива практически
в печь подается воздух с избытком по сравнению с теоретическим.
Это характеризуется коэффициентом избытка воздуха.

Коэффициент избытка воздуха

где  - действительное и теоретическое количество воздуха, отнесенное к 1 кг или 1 м³ сжигаемого топ­лива, кг/кг топл., кг/м³топл.

Значения коэффициента избытка воздуха зависят от способа сжигания и вида топлива, принимаются по таблице:

Таблица 15.1 – Значение коэффициента избытка воздуха в печи

Вид топлива	Способ сжигания	Коэффициент избытка воздуха
Жидкое Жидкое Газообразное	Форсунки с паровым распылом Форсунки с воздушным распылом Горение в объеме	1,3...1,4 1,2.. 1,3 1,05.,.1,2

Состав продуктов сгорания. Продукты полного горения топлива состоят из двуокиси углевода СO₂ , двуокиси сернистого газа SO₂ , если в топливе есть сера, паров воды Н₂O, азота N₂ и избыточного кислорода O₂ .

При сжигании жидкого или твердого топлива, м³/кг топлива:

Объем трехатомных газов (СO₂ и SO₂)

Объем азота

Объем водяных паров

Объем кислорода

Суммарный объем продуктов сгорания

При сжигании газообразного топлива, м³/м³ топл.:

Объем трехатомных газов (СO₂ и SO₂)

Объем азота

Объем водяных паров

Объем кислорода

Суммарный объем продуктов сгорания

Энтальпия, кДж/кг топл., кДж/м³ топл., продуктов сгорания

воздуха

где  и т.д. – энтальпии газов, принимаются в зависимости от их температуры.

Самостоятельно выполнить задание: сделать полный расчет горения газообразного топлива методической печи.

 По окончанию работы результаты предъявить преподавателю для просмотра и выставления оценки.

                                               Практическая работа № 2

Тема : Расчет количества теплоты при свободной конвекции и при вынужденном движении

 Цель :  Приобрести практические навыки при расчете количества теплоты при свободной конвекции и при вынужденном движении

Оборудование: тетрадь, ручка .

                                                       Ход работы

Конвекция возможна только в текучей среде, в которой перенос теплоты связан с переносом самой среды. Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно происходит соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры. Совместный перенос теплоты путем конвекции и теплопроводности называют конвективным теплообменом.

Теплоотдача - конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью (стенкой).

Количество теплоты, переданное в процессе теплоотдачи, определяется по уравнению Ньютона-Рихмана:

для установившегося режима

                                           , Вт;                                        (1.1)

для неустановившегося режима

                                         , Дж,                                     (1.2)

где α  - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²∙К); t_ж, t_ст – средние температуры жидкости и стенки, °С; F – поверхность стенки, м²; Q (Q^/) – тепловой поток (количество теплоты), Вт (Дж); τ – время, с.                   

Коэффициент теплоотдачи α – характеризует интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой. Коэффициент α показывает, какое количество тепла передается от единицы поверхности стенки к жидкости в единицу времени при разности температур между стенкой и жидкостью в 1 градус (К),   .

Установлено, что коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов: вида и режима движения жидкости, ее физических свойств, размеров и формы стенки, шероховатости стенки. Определение α является основной задачей расчета теплообменных аппаратов.  Обычно коэффициент теплоотдачи определяют из критериальных уравнений, полученных преобразованием дифференциальных уравнений гидродинамики и конвективного теплообмена методами теории подобия.

Согласно положений теории подобия конвективный теплообмен без изменения агрегатного состояния вещества в стационарных условиях может быть описан критериальным уравнением вида:

                                         ,                                    (1.3)

 - критерий Нуссельта, характеризующий подобие процессов теплопереноса на границе между стенкой и потоком жидкости;

 - критерий Рейнольдса, который характеризует гидродинамический режим потока при вынужденном движении и является  мерой соотношения сил инерции и вязкого трения;

  - критерий Прандтля, который характеризует физико – химические свойства теплоносителя и является мерой подобия температурных и скоростных полей в потоке;

 - критерий Грасгофа, характеризующий соотношение сил вязкого трения и подъемной силы, описывает режим свободного движения теплоносителя; 

 - безразмерный геометрический  симплекс, характеризующий геометрическое подобие системы.

В выражении этих критериев:  - кинематический коэффициент вязкости теплоносителя, м²/с; w - скорость движения теплоносителя, м/с; – коэффициент температуропроводности, м²/с; g – ускорение свободного падения м/с²; l – определяющий размер, м;  - характерный размер, м; β – коэффициент температурного расширения, 1/К; ρ – плотность теплоносителя, кг/м³; ∆t=t_ст-t_ж – температурный напор между стенкой и теплоносителем, ⁰С; λ – коэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/(м·К); μ – динамический коэффициент вязкости, Па·с; с – теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг·К); τ – время процесса, с.

Критерий Нуссельта, входящий в уравнение (1.3), является определяемым. При известном значении Nu коэффициент теплоотдачи может быть рассчитан по формуле:

                                                 .                                                  (1.4)

Для расчета числа критерия Нуссельта при вынужденном движении потока в прямых трубах или каналах можно рекомендовать следующие уравнения:

а) для ламинарного режима движения теплоносителя, :

                                        ,                  (1.5)

где  - критерий Прандтля для теплоносителя при температуре стенки;

б) для переходного режима движения теплоносителя, :

                                              .                                    (1.6)

Значение коэффициента С определяется из таблицы 1.1 в зависимости от величины критерия Рейнольдса.

Для приближенных расчетов можно пользоваться уравнением:

                                                .                                         (1.7)

Таблица 1.1

Значение коэффициента С

Re·10-3	2,1	2,2	2,3	2,4	2,5	3	4	5	6	8	10
C	1,9	2,2	3,3	3,8	4,4	6,0	10,3	15,5	19,5	27,0	33,0

в) для турбулентного режима  движения теплоносителя, :

                                .                                (1.8)

      Определяющей температурой в уравнениях (1.4)-(1.8) является средняя температура жидкости, определяющим размером –эквивалентный диаметр сечения потока:

                                                         ,                                                 (1.9)

где S – площадь сечения потока жидкости, м²; П – смоченный периметр, м.

         Величина коэффициента , входящая в уравнения (1.5), (1.6), (1.8), определяется из таблиц (1.2) и (1.3).

Таблица 1.2

Значение коэффициента   при Re<10000

/dэкв	1	2	5	10	15	20	30	40	50
	1,9	1,7	1,44	1,26	1,18	1,13	1,05	1,02	1

 - длина трубы, м.

Таблица 1.3

Значение коэффициента  при Re>10000

Re	Отношение /dэкв
	10	20	30	40	50
	1,23	1,13	1,07	1,03	1,0
	1,18	1,10	1,05	1,02	1,0
	1,13	1,08	1,04	1,02	1,0
	1,10	1,06	1,03	1,02	1,0
	1,05	1,03	1,02	1,01	1,0

При свободном движении теплоносителя (естественная конвекция):

<="" a="" style="color: rgb(0, 0, 0); font-family: 'Times New Roman'; font-size: medium; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; letter-spacing: normal; line-height: normal; orphans: auto; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; white-space: normal; widows: 1; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px;">

                                       .                             (1.10)

Значение коэффициента С и показатель степени n зависит от режима и определяется из таблицы 1.4.

Таблица 1.4

Значение коэффициента  С  и показателя степени  n

Режим	Gr·Pr	C	n
Ламинарный	1·103 ÷ 5·102	1,18	0,125
Переходный	5·102 ÷ 2·107	0,54	0,25
Турбулентный	2·107 ÷ 1·1012	0,185	0,33

Определяющим геометрическим размером является высота вертикальной поверхности теплообмена, для горизонтальных труб – их диаметр. Определяющая температура – средняя температура теплоносителя.

Самостоятельно выполнить задание: произвести  расчет количества теплоты при свободной конвекции и при вынужденном движении ( по своему варианту)

По окончанию работы результаты предъявить преподавателю для просмотра и выставления оценки.

                                              Практическая работа № 3

Тема : Расчет высоты  дымовой трубы

Цель: 1. Приобрести практические навыки при расчете высоты дымовой трубы

Оборудование: тетрадь, ручка , карандаш, линейка

                                                Выполнение работы

В качестве основных параметров для подбора дымовой трубы выступают расчет высоты и диаметр этого элемента.

Определяется предварительная минимальная высота дымовой трубы (м).

Высота устройства отвода дымы для котельной зависит от равенства значения силы естественной тяги и сопротивления газов в трубе и газоотводных каналах. В зависимости от сырья, из которого изготавливается это приспособление, некоторые вычисления могут различаться. Поэтому приведем общий расчет высоты трубы, ее можно найти по формуле H = √g. Подкоренная величина представляет собой сложное математическое выражение, вследствие чего приведем нахождение g в несколько этапов, для этого условно примем g = z×с, тогда z = (А×F×m×n×η(M(SO₂)+5,88M(NO₂)))/ПДК(SO₂). Значение с является кубическим корнем от отношения N/(V₁×∆T),

где А - принимается равным 200 (для Европы и некоторых регионов России (южнее 500 с. ш.));

F - коэффициент для учета скорости осадка зольных вредных веществ, равный 1;

m - показатель условий выхода дыма из трубы;

n - тоже принимается равным 1;

m = 1/(0,67+0,1×√f+0.34b, где b - кубический корень от f;

ПДК (SO2) = 0,5 кг/м³;

N - число одинаковых труб;

V1 - объем газов, образованных в результате горения;

∆T - разница температур нагретого дыма и воздуха атмосферы;

Расчет f проводят по этой формуле f = 1000(ῳ²×D)/(H²×∆T).

ῳ - среднее значение скорости прохождения дыма по трубе;

D - диаметр устья трубы.

D = √4V/πῳ.

   Самостоятельно выполнить задание: произвести расчет высоты дымовой трубы ( по своему варианту)                                                       

 По окончанию работы результаты предъявить преподавателю для просмотра и выставления оценки.

                                               Практическая работа № 4

Тема : Расчет времени нагрева тонкого и массивного тел при постоянной температуре печи.

Цель: Освоение методики расчета времени нагрева тонкого и массивного тел при постоянной температуре печи.

Оборудование: тетрадь, ручка , справочник кузнеца.

                                               Ход   работы

Методика расчета тонкой пластины и цилиндра:
Здесь критерий Фурье Fo выражается формулами:

• для пластины с толщиной 2s:

• для цилиндра с радиусом R:

T_м⁰ - начальная температура тела, °К.

Д. В. Будриным показано, что для пластины толщиной 2s критерий Фурье имеет значение:

Здесь ψ₁ - функция, зависящая от относительной температуры тела до нагрева (средней по массе) y1 = T_м⁰/T_п и от критерия И; ψ₂ — функция относительной температуры (средней по массе) в конце нагрева y₂ = T_м/T_п, а также от критерия И.

Значения функций ψ₁ и ψ₂ определяются по вспомогательным графикам, приведенным на рис. 5-11. Для длинного цилиндра критерий Фурье может быть найден по формуле:

В случае нагрева длинной квадратной призмы ее можно заменить эквивалентным цилиндром, имеющим диаметр на 9 - 10% более стороны квадрата.

Пример 5-3. Определить время нагрева заготовки из низколегированной стали диаметром 500 мм, помещенной в печь с постоянной температурой t_м = 850 °C (T_ц = 1123 °К). Средняя по массе температура металла в конце нагрева t_м = 727 °С (Т_м = 1000 °К).

Начальная температура стали t_м⁰ = 20 ˚С (T_м⁰ = 293 ˚К). Физические константы стали: λ = 35 вт/(м∙град); c = 0,71 кдж/кг∙град; ρ = 7860 кг/м³; a = 0,0225 м²∙ч. Приведенный коэффициент лучеиспускания C_п = 3,5 вт/(м² ˚К⁴). Определяем критерий И:

Начальная относительная температура металла:

Конечная относительная температура металла:

По графику рис. 5-11б находим значение функций:

ψ₁ = 0,24 и ψ₂ = 1,23.

Критерий Фурье по формуле (5-69):

Время нагрева будет:

Значения наружной температуры заготовки и температуры в центре определим приближенно.

Тепловой поток на поверхности заготовки в конце нагрева будет:

Рис. 5-11. Вспомогательные графики для расчета нагрева пластины (по Д. В. Будрину)

а - нагрев пластины; б - нагрев цилиндра.

Самостоятельно выполнить задание: Рассчитать  время нагрева тонкого и массивного тел ( вал и вкладыш) при постоянной температуре печи( по данным своего варианта)

 По окончанию работы результаты предъявить преподавателю для просмотра и выставления оценки.

                                Практическая     работа № 5

Тема : Составление теплового баланса печи

Цель: Освоение методики составления теплового баланса печи

Оборудование: тетрадь для практических  работ, ручка.

                                                Ход  работы

Тепловой баланс рассчитывается с целью определения количестватоплива для горения в топливных печах и мощности печи в электрических печах.

Приходная часть теплового баланса топливных нагревательных и термических печей включает четыре статьи

- тепло от сжигания газообразного, жидкого или твёрдого топлива;

- физическое тепло, вносимое воздухом, подогретым в рекуператорах и регенераторах;

- физическое тепло, вносимое топливом, подогретым в рекуператорах и регенераторах;

- тепло экзотермических реакций, кроме реакций горения топлива, определяемых суммированием положительных тепловых эффектов реакций в результате окисления поверхностных слоёв нагреваемого металла.

Расходные статьи теплового баланса включают:

– полезное тепло для нагрева заготовок;

– тепло, уносимое уходящими продуктами сгорания;

– тепло от химической неполноты сгорания топлива;

– тепло от механической неполноты сгорания топлива;

– потери тепла теплопроводностью через кладку;

– потери тепла излучением через открытые окна печи;

– потери тепла через зеркало расплавленной соли;

– тепло, уносимое водой;

– тепло, идущее на нагрев металлических приспособлений для крепления, укладки и транспортировки заготовок в печи;

– тепло, аккумулированное кладкой;

–тепло на нагрев защитного газа;

– неучтённые потери.

Работа каждой печи характеризуется рядом показателей, наи­более важными из которых являются температурный режим (калориметрическая температура горения топлива и действительная температура печи), тепловой режим (коэффициент полезного теплоиспользования  и коэффициент использования тепла  ), производительность (коэффициент полезного действия печи и рабочего пространства) и удельный расход тепла. Результаты расчёта теплового баланса представляют в виде таблицы 10.

Таблица 10

Тепловой баланс печи с роликовым подом

Приход тепла	Расход тепла
Статья прихода	Мощность печи, кВт	Мощность печи, %	Статья расхода	Мощность печи, кВт	Мощность печи, %
	1157,28	87,42		473,36	35,76
	142,99	10,8		615,35	46,48
	23,54	1,78		22,58	1,71
-	-	-		87,24	6,59
-	-	-		111,32	8,41
-	-	-		1,57	0,12
-	-	-		12,39	0,93
Всего	1323,81		Всего	1323,81

Тепловой баланс электрических нагревательных печей сопротивления проводится с целью определения мощности и теплотехнических показателей печи. В дальнейшем по мощности печи, её геометрическим размерам, напряжению питающей сети, начальной и конечной температурам нагреваемого металла проводят расчёт нагревателей электропечей сопротивления.

Тепловой баланс электрических нагревательных печей сопротивления, в отличие от топливных печей, составляется только для расходной части тепла, которая вычисляется из формулы

 

где  расходная часть тепла, кВт;

 мощность печи, кВт;

 общий расход тепла, кВт;

 коэффициент запаса мощности, учитывающий возможность падения напряжения в сети против номинального значения, увеличение сопротивления нагревателей с течением времени («старение» нагревателей и т.п.).

Для непрерывно работающих печей  , а для печей периодического действия –  .

 

где  полезное тепло, идущее на нагрев металла, кВт;

 сумма потерь тепла: теплопроводностью через кладку, излу чением через открытые окна печи, с охлаждающей водой, нагрев приспособлений (муфелей, проложек и др.) и защитного газа, на аккумулирование кладкой, а также неучтённые потери кВт;

 потери тепла на короткие тепловые замыкания, кВт.

Потери тепла на короткие тепловые замыкания можно определить

 

где  потери тепла теплопроводностью через кладку, кВт

Самостоятельно выполнить задание : составить тепловой баланс методической печи

 По окончанию работы результаты предъявить преподавателю для просмотра и выставления оценки.

ГБПОУ «Чебаркульский профессиональный техникум»

                                           Методические указания

                              к выполнению практических и лабораторных работ

по дисциплине ОП 0.6 Теплотехника

для специальности 150412 Обработка металлов давлением

2016 г.