УМКДП 050709 Металлургическая теплотехника

          1. Рабочая учебная программа

          1.1 Сведения о преподавателе и контактная информация

         Квон Светлана Сергеевна, к.т.н., доцент

         Альжанов Марат Кайдарович, к.т.н., доцент

Кафедра МЛП и КМ находится в главном корпусе КарГТУ, аудитория 313, контактный телефон 8-(3212)-56-59-35 доб. 124, электронный адрес mlpikm@mail.ru.

 

1.2 Трудоемкость дисциплины

Семестр	Количество кредитов	Вид занятий					Количество часов СРС	Общее количество часов	Форма контроля
		Количество контактных часов			количество часов СРСП	всего часов
		лекции	практические занятия	лабораторные занятия
5	2	15	15	—	30	60	30	90	экзамен

 

 

         1.3 Характеристика дисциплины

Дисциплина «Металлургическая теплотехника» является одной из профессиональных дисциплин для современных специалистов. В настоящее время необходимо уметь рассчитывать теплообменные процессы, протекающие в металлургических печах и нагревательных устройствах с целью оптимизации технологических процессов, экономии топливных и энергетических ресурсов, защиты окружающей среды от вредных выбросов.

 

         1.4 Цель дисциплины

Целью изучения данной дисциплины: научить будущих специалистов анализировать процессы переноса теплоты и массы в технологических системах металлургического производства.

 

         1.5 Задача дисциплины

Задачи дисциплины следующие: дать будущим специалистам знаний по расчету тепловых балансов технологических агрегатов металлургического производства, составлению и применению моделей различных зон теплотехнических устройств.

В результате изучения данной дисциплины студенты должны:

 

иметь представление о: перспективах развития современной металлургической теплотехники, принципах работы современных металлургических агрегатов, материалах, применяемых при строительстве металлургических печей и нагревательных устройств.

 

знать:

сущность теплотехнических процессов, протекающих в металлургических агрегатах, основные законы механики движения жидкостей и газов, основные законы теории теплообмена.

 

уметь:

правильно выбирать огнеупорные и строительные материалы, применяемые при строительстве металлургических печей, составлять тепловые балансы в печах различных типов.

 

приобрести практические навыки:

расчета горения топлива, состава продуктов горения, режимов нагрева и плавки тел различной степени термичности.

 

1.6 Пререквизиты

Для изучения данной дисциплины необходимо усвоение следующих дисциплин (с указанием разделов (тем)):

 

Дисциплина	Наименование разделов (тем)
1. Высшая математика	Интегральное и дифференциальное исчисление. Ряды.
2. Физическая химия	Периодическая система Д.И.Менделеева. Основы термодинамики и кинетики.
3. Физика	Строение и физические свойства металлов. Механика.
4.Технология конструкционных материалов	Строительные и огнеупорные материалы.

 

1.7 Постреквизиты

Знания, полученные при изучении дисциплины «Металлургическая теплотехника» используются при освоении следующих дисциплин: «Металлургия черных металлов», «Теория термической обработки», «Технология термической обработки», «Химико-термическая обработка сталей », «Оборудование металлургических цехов», «Нагрев и нагревательные устройства», «Теория металлургических процессов», «Автоматизация металлургического производства».

 

1.8 Содержание дисциплины

 

1.8.1 Содержание дисциплины по видам занятий и их трудоемкость

 

Наименование раздела (темы)	Трудоемкость дисциплины
	лекции	практические	лабораторные	СРПС	СРС
1.Топливо, общая характеристика и расчет.	2	3	—	3	3
2. Основы технической термодинамики.	2	—	—	3	3
3. Основы теории теплопроводности.	2	2	—	3	3
4.Основы теории конвективного теплообмена.	2	2	—	3	3
5. Основы теории теплового излучения.	2	2	—	3	3
6.Нагрев металла.	2	3	—	3	3
7. Классификация металлургических печей.	3	—	—	3	3
8.Огнеупорные материалы, их классификация и рабочие свойства.	—	—	—	3	3
9.Тепловая работа и конструкции металлургических печей.		3		3	3
10.Теплогенерация за счет химической энергии топлива и электроэнергии.		—		3	3

 

         1.9 Список основной литературы

1. Кривандин В.А., Арутюнов В.А., Мастрюков Б.С. Металлургическая теплотехника. – М, Металлургия т.1,2 1986.

2. Арутюнов В.А., Миткалинный В.И., Старк С.Б. Металлургическая теплотехника. – М, Металлургия 1984.

3. Металлургические печи. Под ред. Глинкова М.А. – М, Металлургия, 1978.

4. Китаев Б.И. и др. Теплотехнические расчеты металлургических печей.  – М., Металлургия. 1970.

5. Теплоэнергетика и теплотехника. Общие вопросы. Справочник по ред. Григорьева В.А., Зорина В.М. – М., Энергия. 1980.

1990.

6.  Квон Св.С. Теплотехника. Учебное пособие. Изд. КарГТУ, 2003.

7. Альжанов М.К. Расчеты теплотехнических и термодинамических процессов. Учебное пособие. Изд. КарГТУ, 2003.

8. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача, М., Энергоиздат, 1986.

 

         1.10 Список дополнительной литературы

         9. Сучков В.Д. Теплофизические величины. Справочные данные для проектирования металлургических печей. – М., Металлургиздат, 1983.

10.Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник под ред. Григорьева В.А. и Зорина В.М. – М., Энергоиздат, 1980.

11.Кобахидзе В.В. Тепловая работа и конструкции печей цветной металлургии. – М., МИСиС, 1994.

 

1.11 Критерии оценки знаний студентов  

Экзаменационная оценка по дисциплине определяется как сумма максимальных показателей успеваемости по рубежным контролям (до 60 %) и итоговой аттестации (экзамену) (до 40 %) и составляет значение до 100 % в соответствии с таблицей.

 

Оценка по буквенной системе	Баллы	%-ное содержание	Оценка по традиционной системе
А	4,0	95-100	Отлично
А-	3,67	90-94
В+	3,33	85-89	Хорошо
В	3,0	80-84
В-	2,67	75-89
С+	2,33	70-74	Удовлетворительно
С	2,0	65-69
С-	1,67	60-64
D+	1,33	55-59
D	1,0	50-54
F	0	0-49	Неудовлетворительно

 

Рубежный контроль проводится на 5-й, 10-й, 15-й неделях обучения и складывается, исходя из следующих видов контроля:

 

Вид контроля

%-ное содержаие

Академический период обучения, неделя

Итого, %

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Посещае мость

0,2

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

3,0

Конспекты лекций

1,0

*

*

*

3,0

Тестовый опрос

7,0

*

*

*

21

Практические занятия

1

*

*

*

*

*

*

*

*

8,0

СРСП

0,2

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

3,0

СРС

0,2

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

3,0

Лаб. работы

1

*

*

*

*

*

*

*

7

Защита лаб. работ

4,0

*

*

*

12

Экзамен

40

Всего

100

 

1.12 Политика и процедуры

При изучении дисциплины «Металлургическая теплотехника» прошу соблюдать следующие правила:

1. Не опаздывать на занятия.

2. Не пропускать занятия без уважительной причины.

3. Активно участвовать в учебном процессе.

4. Быть терпимыми, открытыми, откровенными и доброжелательными к сокурсникам и преподавателям.

 

1.13 Учебно-методическая обеспеченность дисциплины

 

Ф.И.О. автора	Наименование учебно-методической литературы	Издательство, год издания	Количество экземпляров
			в библиотеке	на кафедре
Основная литература
Кривандин В.А., Арутюнов В.А., Мастрюков Б.С.	Металлургическая теплотехника. т.1,2	М, Металлургия 1986.	40	2
Арутюнов В.А., Миткалинный В.И., Старк С.Б   Под  редакцией Глинкова М.А.   Китаев Б.И. и др.       Под редакцией Григорьева В.А., Зорина В.М    Сучков В.Д.           Справочник под ред. Григорьева В.А. и Зорина В.М.     Кобахидзе В.В.       Квон Св.С.     Альжанов М.К.	Металлургическая теплотехника.     Металлургические печи.   Теплотехнические расчеты металлургических печей.   Теплоэнергетика и теплотехника. Общие вопросы. Справочник     Теплофизические величины. Справочные данные для проектирования металлургических печей.     Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент     Тепловая работа и конструкция печей цветной металлургии. Теплотехника, учебное пособие   Расчеты теплотехнических процессов, учебное пособие.	М, Металлургия 1984.     М, Металлургия, 1978.   М., Металлургия. 1970.       М., Энергия. 1980.         М., Металлургиздат, 1983.             М., Энергоиздат, 1980         М., МИСиС, 1994.       Изд. КарГТУ, 2003.     Изд. КарГТУ, 2003	12 10 15 5 5 2 2 5 5	2 1 1 — — — — 60 70

 

         2 График выполнения и сдачи заданий по дисциплине

 

Вид контроля	Цель и содержание задания	Рекомендуемая литература	Продолжительность выполнения	Форма контроля	Срок сдачи
Практическое занятие	Ознакомиться с методикой расчета топлива.	[1], [5], [7]	2 недели	Текущий	3 неделя
Практическое занятие	Решение задач по теплопроводности	[1], [2], [6,7]	2 недели	Текущий	5 неделя
Тестовый опрос	Закр. теор.  знаний и практ. навыков по теме «Топливо»	[1], [2], [3], [5], конспект лекций	1 контактный час	Рубежный	5 неделя
Практическое занятие	Решение задач по конвективному теплообмену	[1], [2], [6,7]	2 недели	Текущий	7 неделя
Практическое занятие	Решение задач по тепловому излучению	[1], [2], [6,7]	2 недели	Текущий	9 неделя
Тестовый опрос	Закреп.  теор. знаний и практических навыков	[1], [2], [3], [5], конспект лекций	1 контактный час	Рубежный	10 неделя
Практическое занятие	Нагрев металла	[1], [2], [6,7]	2 недели	Текущий	11 неделя
Практическое занятие	Тепловая работа и конструкции печей	[1], [2], [6,7]	3 недели	Текущий	15 неделя
Тестовый опрос	Закрепление теоретических знаний и практ. навыков	[1], [2], [3], [5], конспект лекций	1 контактный час	Рубежный	15 неделя
Экзамен	Проверка усвоения материала дисциплины	Весь перечень основной и дополнительной литературы	2 контактных часа	Итоговый	В период сессии

 

3 Конспект лекций

 

         Тема 1. Топливо, общая характеристика и расчет. (2 часа)

         План лекции

1. Классификация топлива.

2. Характеристика составляющих элементов топлива.

3. Основные теплофизические характеристики топлива.

4. Расчет топлива.

Все современное топливо по происхождению классифицируется на природное и производное. Природным называют топливо, которое используется в топочных агрегатах в том виде (не считая механической обработки и сушки), в каком залегает в природе. Например: уголь, природный газ.

Производным называют топливо, полученное в результате химической переработки их природного. Например: кокс, керосин, мазут.

Другим признаком классификации топлива является его агрегатное состояние. Соответственно, по этому признаку топливо может быть твердым (уголь, торф), жидким (бензин, нефть) и газообразным (природный газ, доменный газ).

В топочной технике различают следующий элементарный состав топлива: рабочая масса, горючая масса и сухая масса. Под рабочей массой понимают массу топлива в том виде, в каком оно загружается в топочное устройство. В сухую массу топлива входят С, Н, N, О, S. Эти элементы входят в состав топлива в виде различных органических и неорганических соединений. Горючая масса топлива может быть выражена уравнением  С ^г + Н ^г + N ^г  + O ^г  + S ^г = 100%. Важными составляющими топлива являются зола (А) и влага (W). Эти компоненты являются вредными и составляют балласт топлива. Под сухой массой подразумевается рабочая масса за вычетом влаги.

Важнейшими теплотехническими характеристиками топлива являются: удельная теплота сгорания, высшая теплота сгорания и низшая теплота сгорания топлива. Под последним подразумевается  разница между высшей теплотой сгорания и количеством теплоты, выделяющимся при парообразовании влаги, содержащейся как в самом топливе, так и в продуктах его полного сгорания. Для  расчета  низшей теплоты сгорания  используют эмпирическую формулу Менделеева вида:

 

Для сравнения тепловой ценности разных видов топлива используют понятие эквивалентное топливо.

Расчет топлива осуществляют по следующей методике.

Перечет состава твердого и жидкого топлива выполняется умножением процентного содержания компонентов заданного состава на коэффициент, значения которого приведены в табл.1.

Тепловые расчеты производятся по рабочей массе топлива, характеризующей состав топлива в практических условиях его использования.

Для газообразного топлива коэффициент пересчета состава сухого газа на влажный (рабочую массу топлива) определяется из следующего выражения:

 где

Здесь Н₂О – содержание влаги в газе по объему, %;

W^c – содержание водяных паров в сухом газе, г/м³;

803,6 – плотность водяных паров при О^оС и 101,325 кн/м², г/м³.

Для доменного и коксового газов влагосодержание отвечает насыщению их при 25-35⁰С и может приниматься равным 25-50г/м³. Для природного газа влагосодержание соответствует температуре насыщения порядка 10^оС и равно 10г/м³. При таком влагосодержании природный газ можно считать практически сухим. Состав влажного газа определяется умножением соответствующих компонентов сухого газа на коэффициент пересчета k:

 и т.д.

Для твердого и жидкого топлива низшая теплота сгорания определяется по формуле Д.И. Менделеева.

Таблица 1

Коэффициенты для пересчета состава топлива

 

Заданный состав топлива	Состав топлива, на который ведется пересчет
	Органическая масса (о)	Условно горючая масса (г)	Сухая масса (с)	Рабочая масса(р)
Органическая масса (о)	1
Условная горючая масса (г)		1
Сухая масса (с)			1
Рабочая масса (р)				1

Для газообразного топлива

(1,5)

 

 Расчетные формулы для определения объема воздуха и продуктов полного сгорания приведены в таблице 2.

В этих формулах приняты следующие обозначения:

С^р, Н^р, СО, Н₂ и т.д.- содержание соответствующих компонентов

в рабочем топливе, %; n – коэффициент расхода воздуха; d_в— влагосодержание сухого воздуха, г/м³ . Обычно в расчетах  принимают d_в равным 10г/м³.

Так же, как и при расчете теплоты сгорания, при определении объема воздуха и продуктов сгорания газообразного топлива непредельные углеводороды при небольшом их содержании (до 3%) принимаются состоящими из С₂Н₄

При обогащении дутья кислородом для определения теоретически необходимого количества воздуха значения L₀, подсчитанные по приведенным в таблице 2 формулах, умножаются на коэффициент  где K  — объемная концентрация кислорода в дутье.

Таблица 2

Определяемые величины	Для твердого и жидкого топлива	Для газообразного топлива
Теоретически необходимое количество воздуха
Действительное количество воздуха	Lд = nL0
Количество продуктов полного сгорания
Процентный состав продуктов сгорания

 

Плотность продуктов полного сгорания определяется по формуле

где СО₂, Н₂О и т.д. – содержание соответствующих газов и продуктов

сгорания, %.

Рекомендуемая литература к теме 1:

1. [1], том 1.
2. [5]
3. [7]

Задание на СРС к теме 1:

1. Рассчитать состав продуктов горения топлива заданного состава (по вариантам).

 

 

Тема 2. Основы технической термодинамики (2 часа).

План лекции

1. Основные понятия технической термодинамики.

2. Первый закон термодинамики.

3. Понятие о термодинамических процессах и цикле.

Во всех термодинамических расчетах участвуют только термодинамические параметры, все справочные данные приводятся для нормальных условий (н.у.). Под нормальными условиями понимают: давление  и  температура . Основными термодинамическими параметрами являются: абсолютное давление Р_а, удельный объем  и температура.      Под абсолютным давлением Р_а, Па понимают давление, которое определяется из соотношений:              р_а = р_изб + р_{атм  ,}    р_а = р_атм – р_вак ,

где    р_изб– давление, измеряемое манометром;

р_атм– давление атмосферы, измеряемое барометром;

р_вак – давление разрежения, измеряемое вакуумметром.

Под удельным   объемом  ,  понимают   объем,   который    занимает 1 кг газа.          Основными газовыми законами (уравнениями состояния газа) являются: закон Гей-Люссака:        или

закон Бойля-Мариотта:      или

уравнение Менделеева – Клапейрона:

где            –  универсальная газовая постоянная:

Зная универсальную газовую постоянную R, можно подсчитать значение R для любого газа:  ,  где  М – молекулярная масса газа.

закон Дальтона (для газовых смесей): р_общ = .

Первый закон термодинамики является частным случаем закона сохранения и превращения энергии. Для бесконечно малого изменения состояния 1 кг любого газа аналитическое выражение I-ого закона термодинамики в дифференциальной форме будет иметь вид:  .

Работа расширения 1 кг газа:                     .

Изменение внутренней энергии идеального газа для любого процесса при бесконечно малом изменении состояния (для 1 кг):  .

В расчетах обычно надо знать изменение внутренней энергии . Поэтому в конечных величинах можно записать:   ,

где      –   средняя   массовая   теплоемкость   при     постоянном    объеме   в пределах . Выражение  или для удельных величин  называется энтальпией.         Уравнение I-ого закона термодинамики, выраженное через энтальпию, имеет вид:  . Для идеальных газов  .  В теплотехнических расчетах требуется знать изменение энтальпии, а не ее абсолютное значение, поэтому начало отсчета (ОК или 0^оС) для конечного результата  не имеет значения.  Для изобарных процессов (при р=const) I закон термодинамики имеет вид:  . Таким образом, количество теплоты в процессе р=const  численно можно найти как разность энтальпий конечного и начального состояний. Пользуясь I законом термодинамики можно определить коэффициент полезного действия (кпд), η – характеризующий степень совершенства превращения теплоты в работу.

Рекомендуемая литература к теме 3:

1. [6]
2. [8]

Контрольные задания для СРС к теме 3:

1. Решить задачи 1- 5, [6] стр. 7-9.
2. Решить задачи  5, 6 [6] стр. 18.

 

Тема 3. Основы теории теплопроводности (2 часа).

План лекции

1. Основные понятия теплопроводности.
2. Закон Фурье.
3. Понятие о граничных условиях.
4. Теплопроводность стенок различной конфигурации при г.у. I рода и стационарном режиме.

Основным законом теплопроводности является закон Фурье. Этот закон был установлен экспериментально и гласит: количество переданной теплоты пропорционально падению температуры во времени и площади сечения перпендикулярной направлению распространения теплоты:  ,

где    —  плотность теплового потока, Вт/м²;   —  коэффициент.

Знак « — » показывает, что направления теплового потока и градиента температур противоположны.

Коэффициент λ называется коэффициентом теплопроводности. Он является физическим свойством вещества и характеризует его способность проводить тепло. Значение коэффициента теплопроводности представляет собой количество теплоты, которое происходит в единицу времени через единицу изотермической поверхности при grad  t^o = 1^oC.

,  [Вт/м·С^о]

Значение коэффициента λ зависит от очень многих факторов: природы материала, его структуры, плотности, влажности, наличия примесей, давления, температуры и т.д.

При выборе значения λ пользуются справочными данными, следя, чтобы при этом совпадали физические параметры и условия эксплуатации.

На практике большое значение имеет зависимость коэффициента λ от температуры. В большинстве случаев возможно использование следующей эмпирической зависимости:   ,

где — коэффициент теплопроводности при t_о. Обычно принимают t_о = 20^оС;

t – температура эксплуатации;

b – коэффициент, зависящий от природы материала.

Тепловое состояние тела или степень его нагретости определяется температурным полем.        Под температурным полем понимают совокупность значений температуры во всех точках в данный момент времени. Математическим уравнением температурного поля является выражение:   ,

где  х,у,z – текущие координаты;          τ – время.     Если температура тела меняется во времени, т.е. , то такое поле называется нестационарным, а режим эксплуатации – соответственно, нестационарным режимом.

Если температура тела постоянна во времени, то такое поле – стационарное, и процесс передачи теплоты осуществляется в стационарном режиме.

Закон Фурье описывает процесс передачи теплоты в самом общем случае. Для решения конкретной задачи необходимо знать распределение температуры в теле в начальный момент времени, форму и размеры тела, физические параметры среды, и условия распределения температуры на поверхности тела. Совокупность всех этих условий называется граничными условиями (г.у.). Используя основной закон теплопроводности – закон Фурье – и задавая г.у. I рода можно вывести уравнения, определяющие значение теплового потока через стенки различной геометрической формы:

—   плоская многослойная стенка:     ,

—  для многослойной стенки уравнение имеет вид:   ,

—  шаровая стенка:  .

Рекомендуемая литература к теме 4:

1. [6]
2. [8]

Контрольные задания для СРС к теме 4:

1. Решить задачи 8- 10. [6], стр.56-57.

Тема 4. Основы теории конвективного теплообмена (2 часа).

План лекции

1. Виды конвекции. Закон Ньютона-Рихмана.
2. Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена.
3. Основы теории подобия.
4. Применение теории подобия к процессам конвективного теплообмена.

Второй вид теплообмена –конвекция – происходит только в движущихся средах (газах или жидкостях), при этом перенос тепла осуществляется переносом объемов среды. Передача теплоты конвекцией всегда связана с теплопроводностью. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом. Различают вынужденную конвекцию (движение среды создается искусственно) и свободную – движение возникает в связи с ее нагреванием и изменением плотности. Основным законом конвективного теплообмена является закон Ньютона- Рихмана: ,

где     – тепловой поток, Вт;

F – площадь поверхности, м²;

t_ср  – температура среды, ^оС;

t_пов – температура поверхности, ^оС;

–  коэффициент теплоотдачи, Вт/м² · ^оС.

По своему физическому характеру конвективный теплообмен является весьма сложным процессом и зависит от большого числа факторов, определяющих процесс теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи   характеризует интенсивность теплообмена между средой и поверхностью, и численно равен количеству теплоты, отдаваемой единицей площади поверхности в единицу времени при разнице температур между средой и поверхностью 1^оС. В общем случае коэффициент теплоотдачи является функцией физических параметров среды, характера течения, скорости движения, формы, размеров тела и т.д. Отсюда коэффициент теплоотдачи:                                                 Уравнение показывает, что коэффициент теплоотдачи – величина сложная, и для ее определения невозможно дать общую формулу. Обычно для определения          приходится прибегать к экспериментальным исследованиям. Таким образом, использование закона Ньютона-Рихмана для описания конвективного теплообмена ограничено знанием численного значения коэффициента теплоотдачи  в разных условиях опыта.    Другим способом описания конвективного теплообмена является использование дифференциальных уравнений, учитывающие как тепловые, так и динамические явления процесса. Вывод этих уравнений довольно сложен, поэтому приводим только их конечный вид. Конвективный теплообмен полностью описывается тремя дифференциальными уравнениями: 1.уравнение теплопроводности Фурье-Кирхгофа, которое устанавливает связь между пространственным и временным изменением температуры в любой точке движущейся среды:

2. уравнение движения Навье-Стокса:

3.уравнение сплошности и неразрывности:

Совместное решение этих уравнений, их дальнейшее интегрирование по всему объему процесса с учетом краевых условий задачи дает аналитическое описание процесса конвективного теплообмена. Подобное решение задачи требует значительного математического аппарата и при решении практических задач обычно не используется. Для описания сложных процессов, каким является конвективный теплообмен, на практике удобно использовать метод теории подобия. Обязательной предпосылкой подобия физических явлений должно быть геометрическое подобие систем, где они протекают. Иначе говоря, два физических явления будут подобны лишь в том случае, если будут подобны все величины их характеризующие. Из этих положений вытекает основное свойство подобия явлений: для всех подобных систем существуют безразмерные комплексы величин, которые сохраняют одно и то же численное значение. Эти безразмерные комплексы называют числами или критериями подобия. Числа подобия, описывающие теплообмен:

Rейнольдс: ,              Прандтль: 

Грасгоф:   ,     Нуссельт: ,                                                        Фурье:   ,

Рекомендуемая литература к теме 5:

1. [5]
2. [6]
3. [8]

Контрольные вопросы к теме 5:

1. 1. Решить задачи 7 -8 [6], стр. 71-72.

 

Тема 5. Основы теории теплового излучения (2 часа).

План лекции

1. Классификация излучения по длинам волн.
2. Основные понятия и законы теплового излучения.
3. Теплообмен между поверхностями различного взаимного расположения.
4. Излучение газов.

Носителями лучистой энергии являются электромагнитные колебания с длиной волны от долей мкм до км. В зависимости от длины волн различают:

космическое излучение     0,05 – 10^-6 мкм

γ — излучение                      (0,5 – 1,0)10^-6 мкм

рентгеновское                     10 — 20·10^-3 мкм

ультрафиолет                      20·10^-3 — 0,4 мкм

видимое                               0,4 — 0,8 мкм

инфракрасное (тепловое)  0,8 мкм — 0,8 мм

радиоволны                         0,2 мм — … км

Это деление условное. Нас интересуют те лучи, которые определяются tº и оптическими свойствами тела, то есть световые и тепловые, длина волны 0,5-800 мкм — ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.

Суммарное излучение, проходящее через поверхность F в еди­ницу времени, называется ПОТОКОМ ИЗЛУЧЕНИЯ Q, Вт. Лучистый поток испускаемый с единицы поверхности, называет­ся ИНТЕГРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТЬЮ ПОТОКА ИЗЛУЧЕНИЯ. Е, Вт/м ² :

Рассмотрим основные законы теплового излучения.

Закон Планка.

Для детального изучения явления важно знать закон распределения . Величина  — есть отношение плотности потока излучения в ин­тервале  к рассматриваемому интервалу:  и называется СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТЬЮ потока излучения.

Для абсолютно черного тела:        ,

Закона Планка определяет распределение спектральной плотности из­лучения по длинам волн и температу­ре.

Закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость плотности потока

интегрального излучения от температуры:  .                                                         В технических расчетах, более распространена форма: .

Для реальных тел:   .

Уместно ввести другую характеристику тела, которая называется СТЕПЕНЬЮ ЧЕРНОТЫ ТЕЛА:

Значения  меняются в пределах 0 ÷ 1;

Закон Кирхгофа  устанавливает связь между собственным излучением те-

ла и  его поглощательной способностью:

ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ: при равновесии отношение собственного излучения к поглощательной способности для всех тел одинаково и равно собственному излуче­нию абсолютно черного тела при той же температуре.

Из закона Кирхгофа следует:

— собственное излучение тел тем больше, чем больше их поглощательная способность;

— тела, хорошо отражающие лучистую энергию, сами излучают мало.

Закон Ламберта определяет изменение излучения по отдельным направлениям:  .

Рекомендуемая литература к теме 6:

1. [6]
2. [8]

Контрольные задания для СРС к теме 6:

1. Рассмотреть уравнения для расчета потока теплового излучения при различном взаимном расположении тел.

 

Тема 6. Нагрев металла (2 часа).

План лекции

1. Процессы, протекающие при нагреве металла.
2. Критерий Био. Классификация тел по степени термичности.
3. Режимы нагрева термически тонких и термически массивных тел.
4. Расчет режимов нагрева с использованием номограмм Будрина.

Если температура поля меняется во времени, то тепловые процессы, протекающие  в таких условиях, называются нестационарными.

Нестационарные тепловые процессы встречаются при нагреве и охлаждении металла, обжиге материалов, вулканизации резины и т.д.

Передачу теплоты при нестационарном режиме можно определить,  если найти закон изменения температурного поля и теплового потока во времени и в пространстве:   t=f (x, y, z, t) и Q = g (x, y, z,t),

где    x, y, z — координаты точки;

t — время.

Указанные зависимости могут быть найдены из дифференциального уравнения теплопроводности Фурье – Кирхгофа:

Для решения этого уравнения необходимо задать граничные условия. Они задаются уравнением:

Решение уравнения теплопроводности с учетом граничных условий  дает уравнение температурного поля вида:  t = ¦ (a, l, a, t, x, y, z, t, c  …и т.д.)

Очевидно, что температура зависит от большого числа переменных и постоянных параметров и решение его представляет собой сложную математическую задачу. Для решения большинства практических задач достаточно рассмотрение трех готовых расчетных формул при условии, что форма тела: неограниченная пластина, цилиндр бесконечной длины шар.

При анализе уравнения  оказывается, что переменные в этом уравнении можно сгруппировать в три безразмерных комплекса:

Bi =                   Fo =                   ~ безразмерная координата

1. Неограниченная пластина: размеры пластины в направлении осей Oy и  Oz бесконечно велики. Пластина омывается с обеих сторон  средой с постоянной температурой , коэффициент теплоотдачи a   для обеих поверхностей имеет одинаковое и постоянное значение. В начальный момент времени пластина имеет во всех направлениях постоянную температуру , поэтому избыточная температура, определяемая как:

будет также постоянна.

Коэффициент температуропроводности определяется по уравнению:

По сути, любая задача теплопроводности при нестационарном режиме сводится к определению количества теплоты, выделяющегося при охлаждении тела и температуры поверхности  и центра.

Для пластины:   ,

  Зависимости представляют в виде графиков, которые называют номограммы Будрина.

Охлаждение однородного, изотропного тела произвольной формы в среде с постоянной температурой определяется уравнением Фурье  — Кирхгофа:

         Решение этого уравнения с учетом граничных условий показывает, что температура в любой точке тела изменяется по экспоненциальному закону:

, где

   ~ const, зависящая от формы тела и начального распределения

температур

—  координат, характеризующие изменение температуры  в

пространстве

— постоянные, представляющие собой ряд положительных

возрастающих чисел:

Анализ уравнения показывает, что при малых значениях                процесс нагревания (охлаждения) зависит от начальных условий и имеет случай6ный характер не связанный с условиями охлаждения. Эту стадию  называют первым периодом охлаждения (неупорядоченным процессом).  При t, превышающие некоторое значение, т.е. при      начальные условия начинают играть второстепенную роль, и процесс полностью определяется условиями охлаждения, физическими свойствами тела, его формы и размерами. Вторая стадия называется регулярным режимом  и описывается первым членом ряда уравнения, т.е.

Из уравнения  видно, что регулярный режим теплопроводности характеризуется тем, что натуральный логарифм избыточной температуры  в любой точке тела изменяется во времени по линейному закону.

После дифференцирования обеих частей уравнения получим:

Величину m называют темпом регулярного режима и определяют опытным путем.     Теория регулярного режима теплопроводности разработана Г.М. Кондратьевым и она применима к телам любой формы.

В общем случае, m   определяется из уравнения: , где

m — характеризует скорость охлаждения (темп регулярного

режима)

y- безразмерный коэффициент, характеризующий не

равномерность распределения температуры в теле и

является функцией числа Био.

~ если y = 1, то распределение температуры равномерно;

~ если y = 0 , то распределение температуры внутри тела наиболее не равномерно;

a ~ коэффициент теплоотдачи;

c ~ полная теплоемкость тела

если , то

    или  , где

    k — коэффициент пропорциональности, зависящий от формы и размеров тела.

Рекомендуемая литература к теме 7:

1. [1] том 1.
2. [6]

Контрольные вопросы к теме 7:

1. Рассчитать режим нагрева тела (по вариантам).

 

Тема 7. Классификация металлургических печей (3 часа).

План лекции

1. Классификация печей по температурному диапазону.
2. Источники теплоты, их преимущества и недостатки.
3. Печи периодического действия.
4. Печи непрерывного действия.
5. Нагревательные установки.

В зависимости от рабочей температуры печи разделяют на высокотемпературные (>1000 С), среднетемпературные (650-1000 С) и низкотемпературные (<650 С). Такая классификация принята для топливных печей, т.к. позволяет их группировать по расположению горелок и соотношению лучистого и конвективного теплообмена    при нагреве.

Для  электропечей установлены иные диапазоны:

— высокотемпературные >1250 С;

— среднетемпературные 600-1250 С;

Высокотемпературные печи конструируют исходя из того,  что основная доля теплоты поступает  за счет излучения. Количество теплоты за счет конвекции составляет около 10%. Но в ряде случаев (безокислительный нагрев,  низкая степень  черноты изделия) доля тепла за счет конвективного теплообмена может возрасти до 40%. Низкотемпературные печи —  теплота передается преимущественно конвекцией. Чем ниже температура, тем плотнее среда, тем эффективнее действие конвекции. Среднетемпературные печи — доли теплоты, передаваемые конвекцией и излучением, соизмеримы.

В большинстве случаев необходимую технологическую температуру можно получать как в электрических, так и в топливных печах. Вид энергоносителя выбирают в основном, в зависимости от местных условий, а не от технологии. Преимущества электрических печей заключается в следующем:

1). Возможность достижения высокой температуры и точность ее регулирования;

2). Высокий К.П.Д. (в 2 -3 раза выше, чем у топливных);

3). Компактность;

4). Экологическая чистота;

К недостаткам следует отнести:

1). Меньшая удельная производительность;

2). Меньшая скорость нагрева;

3). Высокая стоимость.

Их широкое применение объясняется тем, что они выпускаются серийно. Топливные печи серийно не выпускаются.

Топливные печи работают в настоящее время, в основном, на газе. Использование мазута, угля и других видов топлива ограничивается  необходимостью обеспечения топок больших размеров, дополнительных устройств для распыления мазута  в воздухе и т.д.

Преимущества:

1). Низкая стоимость энергоносителя (в ~ 4 раза по сравнению с электроэнергией) (это было раньше)

2). Возможность быстрого разогрева печи и изделий

3). Широкий температурный интервал

Единовременные затраты на топливные печи на 15 — 20 % ниже, чем на электропечи, дешевле также их ремонт и эксплуатация.

Недостатки:

1). Образование продуктов сгорания, что усложняет регулировку режимов, ухудшает условия труда и загрязняет окружающую среду;

2). Низкий К.П.Д. – 7 – 25 %;

3). Высокая пожарная опасность.

Печи периодического действия в большинстве случаев имеют простую конструкцию и являются универсальными термическими печами. Применяются для т/о крупногабаритных изделий, в случае большой продолжительности т/о  (отжиг, гомогенизация и т.д.).

Камерные печи с неподвижным подом —  это печи с наиболее простой конструкцией, применяются для нагрева под закалку, отжиг и отпуск мелких и средних деталей. Работают на газообразном и жидком топливе и с применением электроэнергии.         Наибольшее распространение получили печи с подподовыми топками. Широкое распространение имеют электрические камерные печи с неподвижным горизонтальным подом.

Для нагрева тяжелых изделий или крупногабаритных изделий (листы, профили и т.д.), широкое распространение получили камерные печи с выдвижным подом. В этих печах загрузку и разгрузку производят вне рабочего пространства печи, что позволяет применять общецеховые грузоподъемные устройства. Выдвижной под представляет собой футерованную тележку на колесах или роликах со специальными направляющими. Для создания герметичности между выдвижным подом и стенками камеры применяет песочные или водяные затворы. Затвор представляет собой желоб, заполненный водой или песком, выполненный по периметру пода. После вкатывания пода в печь желоб укрепляется между подом и стенкой с помощью специальных устройств (ножи), перекрывая щель. Перемещение пода в большинстве случаев осуществляется электроприводом.

К печам непрерывного действия следует отнести, в первую очередь, шахтные печи. Шахтные печи широко применяются для различных процессов термической обработки отжига, нормализации, закалки, высокого и низкого отпуска и ХТО. Эти печи, имея вертикально расположенную камеру, позволяют нагревать длинные детали (оси, валы, трубы и т.д.), а также небольшие детали, размещая их в специальных приспособлениях (корзинки).

Шахтные печи занимают в цехе меньшую площадь и на единицу площади пода   дают большое количество продукции, чем камерные.

Нагрев печей производится с  использованием жидкого и газообразного топлива или электроэнергии. Такие печи имеют маркировку  ТШОВ (окислительная атмосфера) или ТШЗВ (контролируемая атмосфера) ~ это относится к топливным печам. Шахтные электрические печи обозначаются индексом СШО (окислительная атмосфера) или СШЗ (контролируемая атмосфера). В настоящее время шахтные электропечи сопротивления типа   СШО и СШЗ выпускают с размерами рабочего пространства:d =600 ¸ 1500 мм; глубина 600 ¸ 3000 мм. Мощность от 700 до 195 кВт.

Шахтные  печи широко применяют  не только для нагрева  при термообработке, но и для специальных видов обработки (цементазии, азотирования, обработки паром).

Барабанные печи  с газовым и электрическим нагревом изготавливают непрерывного и периодического действия. Роль муфеля выполняет барабан. Барабанные печи непрерывного действия имеют  шнековое устройство для продвижения деталей.

В печах периодического действия загрузка и выгрузка производятся одновременно. По окончании цикла термической обработки барабан наклоняется, и все детали высыпаются в бак или приемную емкость. Барабанные  печи имеют  индекс ТБЗП   (с защитной атмосферой и непрерывного действия, — газовые;   и ТБЗП — периодического действия; СБ — электрические.

В барабанных печах в результате непрерывного перемешивания обрабатываемых деталей обеспечивается высокое и стальное качество обработки. Обрабатываются детали массой до 0,3 кг, производительность от 15 до 240 кг /час.

Печи с шагающим подом используют для нагрева под закалку и нормализацию деталей  значительной длины (рессорные ленты, листы и др.). Эти печи относятся к печам непрерывного действия, в которых размещают «шагающие» балки, которые  могут совершать движение по кругу, эллипсу и прямоугольнику. Подьем и движение балок происходит через определенные промежутки времени с помощью специального механизма находящегося под подом печи. Балки поднимают детали  лежащие на поду  переносят на перед и опускают на новое место пода, постепенно передвигая детали к концу печи.  Для предотвращеня подсоса воздуха через щели в поду, их изолируют с помощью песочных или водяных затворов. Печи могут быть с мазутным газовым и электрическим обогревом. Производительность печей от 150 кг/час до 4 т/час, скорость передвижения деталей  в печи 1 – 7 м/мин, рабочая температуре 950 . Мощность 330 – 630 кВт.

По характеру преобразования энергии большинство установок относят к разряду теплогенераторов и делят на две группы: непосредственного и косвенного нагрева.

В установках первой группы нагрев за счет внешнего источника тепла играет второстепенную роль, например, в высоко частотных установках он вообще отсутствует. В установках второй группы нагрев достигается от воздействия высокой температуры на поверхности обрабатываемых деталей.

Скорости нагрева могут быть весьма большими например, в установках ТВЧ – до 1000 К/с. За счет огромного градиента температур осуществляется очень быстро.

Особенность нагревательных устройств:

1). Они предназначены для поверстного кратковременного нагрева;

2). Они боле компактны и их можно размещать в различных производственных помещениях (по сравнению с печами);

3). Благодаря отсутствию выделению тепла и дыма и  кратковременности процессов создаются хорошие условия труда;

Установки непосредственного нагрева (ТВЧ) зависят от конфигурации и размеров деталей, поэтому их относят к узкоспециализированным и применяют в массовом производстве.

Установки косвенного нагрева (тлеющего разряда, газопламенные) более универсальны и их применяют при мелкосерийном и серийном производствах. Однако точность параметров процесса хуже, процесс трудно автоматизировать, а качество термообработки зависит от квалификации термиста.

Рекомендуемая литература к теме 8:

1. [2] том 2.

2. [3,4]

3. [7]

4. [11]

Контрольные задания для СРС к теме 8:

1. Сделать эскиз печи (по вариантам).

2. Описать конструкцию и принцип работы печи.

 

4. Методические указания для выполнения практических занятий.

 

Тема 1. Топливо, общая характеристика и расчет. (3 часа)

Цель занятия: научиться рассчитывать параметры процесса горения топлива, сравнивать теплотворную способность различных видов топлива.

План практического занятия.

1. Изучить схему элементарного состава топлива.
2. По заданному составу горючей массы рассчитать параметры процесса горения топлива.

Пример1.

Расчет горения мазута. Состав мазута приведен в таблице 1.

Пересчитаем состав мазута на рабочую массу.                                                                                   

Состав мазута, %

Cг	Hг	Oг	Nг	Sг	Wр	Aс
87,4	11,2	0,3	0,6	0,5	2,0	0,1

 

Содержание золы в рабочей массе:

%

Коэффициент пересчета с горючей на рабочую массу (см. табл.1)

Содержание компонентов в рабочей массе

  и т.д.

Результаты расчета состава рабочей массы мазута приведены в таблице 2.

Состав рабочей массы мазута, %

C	H	O	N	S	Wр	A	Сумма
85,53	11	0,29	0,59	0,49	2,0	0,1	100,0

 

Теплота сгорания мазута вычисляется по формуле:

 

Теоретически необходимое количество воздуха:

Действительное количество воздуха при n = 1,15

L_Д = 1,15 · 9,66 = 11,11 м³/кг

Количество продуктов горения (табл. 2), м³/кг:

 

 

 

 

.

Общее количество продуктов горения

V_Д = 1,6 + 1,39 + 0,003 + 0,304 + 8,77 = 12,07 м³/кг.

Состав продуктов горения

и т.д.

Результаты расчета состава продуктов горения сведены в таблицу 3.

Состав продуктов горения мазута, %

СО2	Н2О	SО2	О2	N2	Сумма
13,26	11,52	0,02	2,52	72,68	100,0

Плотность продуктов горения

 

 

 

Рекомендуемая литература:

1. [1, 4, 5]

2. [7] стр.46-57

3. [1,5, 8] тема «Топливо и процессы горения».

 

Контрольные задания для СРС (тема 1) [1, 2,4]:

1. Найти горючую массу заданного вида топлива (задается преподавателем).

2. Рассчитать рабочую массу топлива, высшую и низшую теплоты сгорания, расходы воздуха,  состав и плотность продуктов сгорания топлива.

 

Тема 2. Основы теории теплопроводности. (2 часа)

Цель занятия: научиться рассчитывать режимы теплопроводности стенок различной конфигурации при граничных условиях первого рода и стационарном режиме.

План практического занятия.

1. Охарактеризовать основные параметры теплопроводности.

2. Теплопроводность стенок различной конфигурации.

3. Понятие о граничных условиях.

4. Решение задач.

Пример 1.

Определить коэффициент теплопроводности материала стенки, если при толщине ее δ = 40 мм и разности температур на поверхности _∆t^о = 20^оС плотность теплового потока q = 145 Вт/м².

Решение

         Используем уравнение теплопроводности для плоской однородной стенки:

.

Определим величину λ:

;

Ответ: коэффициент теплопроводности .

Рекомендуемая литература:

1. [6] стр.5-37

2. [7] стр.46-57

3. [1,6, 8] тема «Теплопроводность при стационарном режиме».

 

Контрольные задания для СРС (тема 2)

1.Решение задач 8-10 тема 8 [6]

 

Тема 3. Конвективный теплообмен. (2 часа)

Цель занятия: научиться рассчитывать режимы конвективного теплообмена с помощью метода тории подобия.

План практического (семинарского) занятия

1. Основные понятия конвективного теплообмена.

2. Сущность метода теории подобия. Числа подобия.

3. Решение задач 1-5 [6] стр.57-65.

Пример 1

Необходимо опытным путем определить распределение температур в длинном стальном вале диаметром d = 400 мм через = 2,5 ч после загрузки его в печь.

Для стали коэффициенты теплопроводности и температуропроводности равны соответственно: =42 Вт/(м·^оС); а = 1,18 · 10 ^–5 м²/с. Коэффициент теплоотдачи к валу в печи =116 Вт/(м·^оС).

Исследование решено проводить в небольшой печи на геометрически подобной модели вала, выполненной из легированной стали. Для модели                           = 16 Вт/(м·^оС); а_м = 0,53 · 10 ^–5 м²/с; =150 Вт/(м·^оС).

Определить диаметр d_м модели вала и промежуток времени, через который после загрузки модели в печь необходимо измерить распределение температур в модели.

Подобие температурных полей вала и модели будет иметь место при равенстве критериев для образца и модели:

Вi_м = Вi и Fо_м = Fо.

         Критерии Био и Фурье для вала равны:

         Из условия Вi_м = Вi находим диаметр модели вала:

         Из условия Fо_м = Fо находим искомый промежуток времени:

Ответ:

Рекомендуемая литература:

1. [6] стр.5-37

2. [7] стр.46-57

3. [1,6, 8] тема «Конвективный теплообмен».

 Контрольные задания для СРС (тема 3)

1.Решение задач 5-7 глава 9 [6]

 

Тема 4 Теплообмен излучением. (2 часа)

Цель занятия: научиться рассчитывать тепловые потоки излучения  при различном взаиморасположении тел.

План практического занятия:

1. Основные понятия лучистого теплообмена.

2. Роль экрана. Законы лучистого теплообмена.

3. Решение задач 1-5 [6] стр.85.

Пример 1

Определить излучательную способность поверхности Солнца, если известно, что ее температура равна 5700⁰ С и условия излучения близки к излучению абсолютно черного тела. Вычислить также длину волны, при которой будет наблюдаться максимум спектральной интенсивности излучения и общее количество лучистой энергии, испускаемой Солнцем в единицу времени, если диаметр Солнца можно принять равным 1,391 · 10⁹ м.

Ответ ; ;

Рекомендуемая литература:

1. [6] стр.55-67

2. [7] стр.46-57

3. [1,7, 8] тема «Теплообмен излучением».

 Контрольные задания для СРС (тема 3)

1.Решение задач 1 -5 [7].

 

Тема 5 Нагрев металла. (3 часа)

Цель занятия: научиться рассчитывать параметры режима нагрева тел различной степени термичности.

План практического занятия:

1. Процессы, протекающие при нагреве металла.

2. Режимы нагрева  термически тонких и термически массивных тел.

3. Решение задач по теме [6] стр.69.

Пример 1. Определить время нагрева прутка диаметром 30 мм из углеродистой стали (С = 0,3%; ) от температуры 20 до 900⁰С в печи с температурой 1000⁰С при

Расчет нагрева разбиваем на три интервала: I – от 20 до 600⁰С, II – от 600 до 800⁰С, III – от 800 до 900⁰С. Рассчитываем время нагрева прутка.

I интервал:

S = 0,015м;         t_печ = 1000⁰С, t_н = 20⁰С, t_к = 600⁰С.

Среднюю теплоемкость С_р определяем по значениям теплосодержания

Коэффициент теплоотдачи в начале интервала

в конце интервала

 

Средний за интервал

 

Продолжительность нагрева от t_н=20⁰С до t_к=600⁰С

 

II интервал

t_печ = 1000⁰С, t_н =600⁰С, t_к = 800⁰С.

При этом

III интервал:

t_печ = 1000⁰С, t_н =800⁰С, t_к = 900⁰С.

При этом

Рекомендуемая литература:

1. [6] стр.55-67

2. [7] стр.46-57

3. [1,6, 8] тема «Нагрев металла».

 Контрольные задания для СРС (тема 5)

1.Решение задач по теме [6].

 

Тема 6 Тепловая работа и конструкции металлургических печей. (3 часа)

Цель занятия: научиться рассчитывать тепловые балансы основных видов металлургических печей.

1. Классификация металлургических печей.

2. Понятие о тепловом балансе.

3. Решение задач  по теме [7] стр.56.

Пример 1. Рассчитать теплообмен в камерной печи с выдвижным подом.

Геометрические параметры излучения

Поверхность нагрева металла

Степень развития обмуровки:

Средняя эффективная длина луча:    где         V_г — объем полости, заполненной излучающим газом, м³;

F — площадь всех сторон, ограничивающих этот объем, м²;

0,9 — коэффициент эффективности газового излучения.

Средняя высота:

Объем рабочего пространства печи:

V_р.п. = BLh_ср = 4,62 • 10,03 • 2,03 = 94 м³.

Объем, занимаемый металлом (садкой):

.

Объем рабочего пространства, занимаемого газом:

V_F = V_р.п — V_м = 94 —10 = 84 м³.

Суммарная излучающая поверхность:

Эффективная толщина газового слоя:

Определяем степень черноты газа. Сила поглощения газов:

Рсо₂S_эф = 0,081 * 1,45* 0,0981 = 0,0117 Мн/м;

Рн₂оS_эф = 0,239* 1,45* 0,0981 = 0,0346 Мн/м.

По данным Рсо₂S_эф и Рн₂оS_эф, а также температурам газа на­ходим степень черноты газа. Температура газа t_г = 300⁰С. Определяем степень черноты CO₂. При Рсо₂*Sэф  = 0,0117 Мн/м и t_r = 300°С,  = 0,11.

Степень черноты водяного пара при Рн₂оS_эф = 0,0346 Мн/м и t_г = 300°С = 0,29.

Поправочный множитель   при Рн₂о = 0,0239 Мн/м

Рн₂оS_эф = 0,358 Мн/м составляет  = 1,1.

Степень черноты газа при t_r = 300°C

 

Степень черноты металла принимаем _м = 0,8. Приведенный коэффициент излучения

С_r.к.м.=

Приведенный коэффициент излучения:

где

Рекомендуемая литература:

1. [3,4,8]

2. [7] тема « Расчет теплообмена».

 Контрольные задания для СРС (тема 5)

1.Решение задач по теме [7].

 

6 Тематический план самостоятельной работы студента с преподавателем.

Наименование темы СРСП	Цель занятия	Форма проведения занятия	Содержание задания	Рекомендуемая литература
Тема 1 Топливо, общая характеристика и Расчет.	Углубление знаний по данной теме	Решение задачи	Тема 1	[1,4,7]
Тема 2 Основы технической термодинамики	Углубление знаний по данной теме	Подготовка конспекта по заданной теме	Основные параметры состояния. Первый и второй закон термодинамики. Энтальпия и энтропия.	[1, 6, 8]
Тема 3 Основы теории теплопроводности.	Углубление знаний по данной теме	Подготовка конспекта по заданной теме	Теплопроводность при г.у. 3-его рода.	[6,8]
Тема 4 Основы теории конвективного теплообмена.	Углубление знаний по данной теме	Решение задач	Задачи №5-9	[6]
Тема 5 Основы теории теплового излучения.	Углубление знаний по данной теме	Подготовка конспекта по заданной теме	Роль экрана при тепловом излучении.	[1,6]
Тема 6 Нагрев металла.	Углубление знаний по данной теме	Подготовка конспекта по заданной теме	Процессы. протекающие при нагреве металла	[1, 2, 6]
Тема 7 Классификация металлургических печей.	Углубление знаний по данной теме	Подготовка конспекта по заданной теме	Классификация печей по температурному диапазону.	[1, 3, 4]	[9]
Тема 8. Огнеупорные материалы, их классификация и рабочие свойства.	Углубление знаний по данной теме	Подготовка конспекта по заданной теме	Экслуатационные свойства огнеупоров.	[1, 3, 4]
Тема 9. Тепловая работа и конструкции металлургических печей.	Углубление знаний по данной теме	Подготовка конспекта по заданной теме	Теплотехнические принципы работы основных видов металлургических печей.	[1, 3, 4]
Тема 10. Теплогенерация за счет химической энергии топлива и электроэнергии.	Углубление знаний по данной теме	Подготовка конспекта по заданной теме	Экзотермические химические реакции. Нагревательные устройства, работающие за счет теплогенерации.	[1, 3, 4]

 

 

7 Материалы для контроля знаний студентов в период рубежного контроля и итоговой аттестации

7.1 Тематика письменных работ по дисциплине

Тематика контрольных работ

1. Основные характеристики топлива, параметры расчета.
2. Основы термодинамики.
3. Способы передачи теплоты.
4. Теплопроводность при нестационарном режиме.

 

Тематика рефератов

1. Строительные и огнеупорные материалы, применяемые в металлургических печах.

2. Методика расчета теплообмена  в камерных печах.

 

7.2 Вопросы (тестовые задания) для самоконтроля

1. Что такое рабочая масса топлива?
2. Охарактеризуйте теплофизические характеристики топлива.
3. Что такое условное топливо, приведенная влажность топлива?
4. Аналитическое выражение I закона термодинамики.
5. Что такое энтальпия?
6. Основные формулировки второго закона термодинамики.
7. Опишите подробно все виды теплообмена.
8. Что называется температурным полем?
9. Что называется градиентом температур?
10. Закон фурье.
11. Что называется граничными условиями? Их классификация.
12. Закон Ньютона-Рихмана.
13. Что такое коэффициент теплопроводности?
14. Что такое коэффициент теплоотдачи?
15. Теплопроводность стенок различной конфигурации при г.у. I рода.
16. Теплопроводность стенок различной конфигурации при г.у. III рода.
17. Перечислите числа подобия конвективного теплообмена.
18. Назовите параметры теплового излучения.
19. Объясните сущность основных законов теплового излучения.
20. Запишите уравнения лучистого теплообмена при разном взаиморасположении тел.
21. Что такое термически тонкое тело?

 

 

7.3 Экзаменационные билеты (тесты)

Тесты по дисциплине «Металлургическая теплотехника».

 

1.Как зависит коэффициент теплопроводности λ для разных материалов от температуры?

А. не зависит;

В. по эмпирическому закону ;

С. по экспоненциальному закону;

D. по логарифмическому закону;

Е. по линейному закону.

 

2.Что характеризует число подобия Рейнольдса?

А. теплофизические свойства среды;

В. эффективность подъемной силы при свободной конвекции;

С. гидромеханические свойства среды;

D. интенсивность конвективного теплообмена;

Е. нестационарность теплового режима.

 

3.Плотность теплового потока через плоскую стенку равна 1000 Вт/м². Чему равен тепловой поток через эту стенку, если ее  площадь 3 м²?

А. надо знать время;

В. 3000 Вт;

С. 330 Вт;

D. надо знать коэффициент теплопроводности;

Е. надо знать число слоев в стенке.

 

4.Укажите число подобия, учитывающее нестационарный тепловой режим:

А. Nu;    В. Bi;     С. Re;    D. Gr;     Е. Fo.

 

5.Передача теплоты при непосредственном контакте тел с разной температурой называется?

А. конвекцией;

В. тепловым излучением;

С. радиацией;

D. теплопроводностью;

Е. теплоотдачей.

 

6.Вид переноса теплоты в движущейся среде называется:

А. тепловым излучением;

В. конвекцией;

С. теплоотдачей;

D. теплопроводностью;

Е. радиацией.

 

7.Укажите необходимое условие теплопередачи:

А. наличие температурного поля;

В. постоянство температуры во всех точках пространства;

С. перепад давления;

D. наличие разности температур передающих тел;

Е. разность в плотности.

 

8. Как называется предел отношения изменения температуры к расстоянию между изотермическими поверхностями, измеренному по нормали?

А. тепловым потоком;

В. температурой поля;

С. градиент температур;

D. коэффициент теплопроводности;

Е. тепловой поток.

 

9. Укажите единицы измерения теплового потока:

А. Дж;     В. кДж;   С. Дж/К;     D. Дж/К · сек;    Е. Вт.

 

10. В каких единицах измеряется коэффициент теплопроводности λ?

А. м/с;    В. Вт/(м *град);     С. кДж/(моль · K);        D. Вт/м²;      Е.Дж/сек.

 

11. Температурное поле называется стационарным,  если удовлетворяет условию:

А. t = ƒ (τ ),   где τ – время;

В. t = f ( x, y, z) dt/dτ = 0;

C.t = f (x, y, z, τ ) dt/dτ ≠ 0;

D.t = f ( λ ),  где λ теплопроводность;

Е. t^о = f (α).

 

 

12. В каких единицах измеряется плотность теплового потока?

А. Дж;     В. кДж;      С. Вт/м²;      D. Дж/ K · сек;     Е. Вт.

 

13. Число Рейнольдса описывается формулой:

А. Re = ωl/α;          В. Re = ωl/C_p;
С. Re = ωl/ υ;          D. Re = α l/υ;         Е. Re = ατ.

 

14. Тело называется абсолютно чёрным при соблюдении условий:

А. А = 0;  R = 0;              Д = 0;

В. А = 1;   R = 0;              Д = 0;

С. А = 0;   R = 0;              Д = 1;

D. А = 1;  R = 1;              Д = 1;

Е.  А = 0;  R = 1;              Д = 0;

 

15. Тело называется абсолютно белым при соблюдении условий:

А. А = 0;  R = 0;              Д = 0;

В. А = 1;   R = 0;              Д = 0;

С. А = 0;   R = 0;              Д = 1;

D. А = 1;  R = 1;              Д = 1;

Е. А = 0;   R = 1;              Д = 0;

 

16. Тело называется абсолютно прозрачным или диатермичным при соблюдении условий:

А. А = 0;  R = 0;              Д = 0;

В. А = 1;   R = 0;              Д = 0;

С. А = 0;   R = 0;              Д = 1;

D. А = 1;  R = 1;              Д = 1;

Е. А = 0;   R = 1;              Д = 0;

 

17. Лучистый теплообмен между двумя параллельно расположенными поверхностями подчиняется зависимости:

А. Q =

B. Q =

 

C. Q =

D. Q =  *F изл.

Е. Q = 0.

 

18. Лучистый теплообмен между двумя телами,  расположенными одно в другом подчиняется зависимости:

А) Q =

B) Q =

C) Q =

D) Q =  *F изл.;

Е) Q = 0.

 

19. Лучистый теплообмен между двумя произвольно  расположенными  телами подчиняется зависимости:

А. Q =

B. Q =

C. Q =

D. Q =  *;

Е. Q = 0.

 

20. Количество тепла,  проходящее через единицу площади изотермической поверхности в единицу времени, называется:

А. тепловым потоком;

В. плотностью теплового потока;

С. коэффициентом теплопроводности;

D. коэффициентом теплоотдачи;

Е. коэффициентом температуропроводности.

 

21. Граничные условия заданы температурой среды,  окружающей тело и  законом теплоотдачи между поверхностью тела и окружающей средой; такие условия называются:

А. граничными условиями I рода;

В. граничными условиями II рода;

С. граничными условиями IIIрода;

D. краевыми условиями;
Е. граничными условиями IV рода.

 

22. Граничные условия заданы распределением температуры на поверхности тела. Такие условия называются:

А. граничными условиями I рода;

В. граничными условиями II рода;

С. граничными условиями IIIрода;

D. краевыми условиями;
Е. граничными условиями IV рода.

 

23. Граничные условия заданы плотностью теплового потока в каждой точке поверхности. Такие условия называются:

А. граничными условиями I рода;

В. граничными условиями II рода;

С. граничными условиями IIIрода;

D. краевыми условиями;
Е. граничными условиями IV рода.

 

24. Основным законом теплопроводности является:

А. q = — λ gradt;

B. Q =  α F (t₁-t₂);

С. E₀ = σ₀ * T⁴;

D. E₁/A₁ = E₂/A₂ = E₀;

Е. .

 

25. Основным законом конвективного теплообмена является:

А. q = — λ gradt;

B. Q =  α F (t₁-t₂);

С. E₀ = σ₀ * T⁴;

D. E₁/A₁ = E₂/A₂ = E₀;

Е. .

 

26. Число Прандтля описывается формулой:

А.      В.       С.         D.         Е. .

 

27. Число Грасгофа описывается формулой:

А.      В.       С.         D.         Е..

 

28. Число Нуссельта описывается формулой:

А.      В.       С.         D.         Е. .

 

 

29. Число Фурье описывается формулой:

А.      В.       С.         D.         Е. .

 

53. Отношение плотности потока излучения тела к плотности потока излучения абсолютно чёрного тела называется:

А. спектральной плотностью потока излучения;

В. относительной излучательной способностью;

С. степенью черноты;

D. плотностью потока излучения;

Е. потоком излучения.

 

31. Отношение плотности потока излучения в интервале длин волн λ + d λ к интервалу длин волн d λ называется:

А. спектральной плотностью потока излучения;

В. относительной излучательной способностью;

С. степенью черноты;

D. плотностью потока излучения;

Е. потоком излучения.

 

32. Лучистый поток,  испускаемый единицей поверхности в единицу времени называется:

А. спектральной плотностью потока излучения;

В. относительной излучательной способностью;

С. степенью черноты;

D. плотностью потока излучения;

Е. потоком излучения.

 

33. Суммарное излучение, проходящее в единицу времени через поверхность называется:

А. спектральной плотностью потока излучения;

В. относительной излучательной способностью;

С. степенью черноты;

D. плотностью потока излучения;

Е. потоком излучения.

 

34. Укажите уравнение подобия,  описывающее теплообмен при вынужденной конвекции:

А. Nu = f (Re; Pr; Gr);

В. Nu = f (Gr; St; Fo );
С. Nu  = f (Gr; Pr);
D. Nu = f(Re; Pr);
Е. Nu = f(Fо).

 

35. Укажите уравнение подобия,  описывающее теплообмен при свободной конвекции:

А. Nu = f (Re; Pr; Gr);

В. Nu = f (Gr; St; Fo );
С. Nu  = f (Gr; Pr);
D. Nu = f(Re; Pr);
Е. Nu = f(Fо).

 

36. Укажите уравнение подобия, описывающее теплообмен при свободно — вынужденной конвекции:

А. Nu = f (Re; Pr; Gr);

В. Nu = f (Gr; St; Fo );
С. Nu  = f (Gr; Pr);
D. Nu = f(Re; Pr);
Е. Nu = f(Fо).

 

37. Величина α называется коэффициентом теплоотдачи и численно равна:

А. количеству теплоты,  проходящей через единицу площади при градиенте температур  1К;

В. плотности теплового потока;

С. скорости изменения температуры в теле;

D. количеству теплоты, отдаваемой единицей поверхности  в единицу времени при разнице температур 1 К;

Е. градиенту температур.

 

38. От каких факторов зависит коэффициент теплоотдачи α ?

А. причины возникновения течения жидкости или газа;

В. характера движения жидкости или газа;

С. физических свойств жидкости или газа;

D. от всех перечисленных и ещё большего числа факторов;

Е. это независимая величина,  характерная и постоянная для каждого вещества.

 

39. Как определить плотность теплового потока через плоскую многослойную стенку при г. у.  I рода:

А.                     B. Q =

С. q =                   D.  q =  ;                  Е. .

 

40. Как определить плотность теплового потока через цилиндрическую многослойную стенку:

А.                     B. Q =

С. q =                   D.  q =  ;                  Е. .

 

 

41. Как определить  тепловой поток через шаровую  стенку:

А.                     B. Q =

С. q =                   D.  q =  ;                  Е. .

 

42. Закон Кирхгофа устанавливает связь:

А. между излучательной и поглощательной способностями тела:

В. между плотностью потока интегрального излучения и температурой;

С. между спектральной плотностью излучения и длиной волны;

D. между плотностью потока  излучения  и длиной волны;

Е. между плотностью потока излучения и давлением.

 

43. Закон Стефана-Больцмана устанавливает связь:

А. между излучательной и поглощательной способностями тела:

В. между плотностью потока интегрального излучения и температурой;

С. между спектральной плотностью излучения и длиной волны;

D. между плотностью потока  излучения  и длиной волны;

Е. между плотностью потока излучения и давлением.

 

44. Закон Планка устанавливает связь:

А. между излучательной и поглощательной способностями тела:

В. между плотностью потока интегрального излучения и температурой;

С. между спектральной плотностью излучения, температурой и длиной волны;

D. между плотностью потока  излучения  и длиной волны;

Е. между плотностью потока излучения и давлением.

46. Величина  называется:

А. термическим сопротивлением;

В. коэффициентом термической проводимости;

С. коэффициентом температуропроводности;

D. коэффициентом теплоотдачи;

Е. коэффициентом излучения.

 

46. Особенности газового излучения заключаются в том,  что:

А. оно не подчиняется законам Планка и Стефана-Больцмана;

В. газы излучают только с поверхности;

С. излучение газов по всем направлениям происходят с разной интенсивностью;

D. газы излучают только в определённых интервалах длин волн,  т.е. селективно;

Е. правильного ответа нет.

 

47. Тепловое излучение – это излучение в диапазоне:

А. (0,5-1) * 10^{— 6} мкм;

В. 10 ^{– 6} – 20*10 ^{– 3} мкм;

С. 0,4-0,8 мкм;

D. 0,5-800 мкм;

Е. 0,1 мкм — …км.

 

48. Как определить плотность теплового потока через плоскую однородную стенку при г. у. III рода:

А. q =                     В. q = ( α_k + α_о) (t₁— t₂);
С. q =                                    D. q = C_o(ε_n + ε_o)
Е. .

 

49. Как определить плотность теплового потока через однослойную цилиндрическую стенку при г.у. III рода:

А. q =                     В. q = ( α_k + α_о) (t₁— t₂);
С. q =                                      D.  q = C_o(ε_n + ε_o) [()⁴  — ()⁴] Е. .
50. Как определить плотность теплового потока при сложном теплообмене,  когда доминирующим является конвекция:

А. q =                В. q = ( α_k + α_о) (t₁— t₂);
С. q =                                 D. q = C_o(ε_n + ε_o) [()⁴  — ()⁴] Е. .

51. Как определить плотность теплового потока при сложном теплообмене, когда доминирующим является тепловое излучение:

А. q =                В. q = ( α_k + α_о) (t₁— t₂);
С. q =                                 D. q = C_o(ε_n + ε_o) [()⁴  — ()⁴] Е. .

 

52. Какие огнеупорные материалы, согласно технической классификации относятся к группе кислых огнеупоров?

в состав входит SiO₂ и Cao._..

в состав входит Al₂O₃.

в составе преобладает SiO_2..

в составе преобладает Al₂O₃.

в составе преобладает CaO, MgO.

 

53. Какие огнеупорные материалы, согласно технической классификации относятся к группе основных огнеупоров?

в состав входит SiO_2..

в состав входит Al₂O₃.

в составе преобладает SiO_2..

в составе преобладает Al₂O₃.

в составе преобладает CaO, MgO.

 

54. Какой параметр является признаком классификации материалов по огнеупорности?

минеральный состав.

плотность.

способ формования.

температура.

основность.

 

55. Свойство материалов противостоять длительное время воздействию высоких температур, не теряя формы и не переходя в тестообразное состояние, называется….?

красностойкостью.

огнеупорностью.

теплостойкостью.

жаростойкостью.

жаропрочностью.

 

56. Способность огнеупоров выдерживать, не разрушаясь, резкие колебания температуры, называется….?

красностойкостью.

термостойкостью.

теплостойкостью.

жаростойкостью.

жаропрочностью.

 

57. Что такое кажущаяся пористость огнеупорных материалов?

расчетная величина.

поры сообщаются с поверхностью огнеупора.

видимые поры.

отношение пористости к плотности огнеупора.

отношение объема пор к объему материала.

 

58. Какой из перечисленных материалов относится к кремнеземистым?

шамот.

муллитокорунд.

магнезит.

динас.

периклазошпинель.

 

59. Какое из перечисленных веществ является сырьем для производства динаса?

каолин.

глина.

магнезит.

кварцит.

алюмосиликат.

 

60. Какое из перечисленных свойств наиболее характерно для динасовых материалов?

высокая стойкость по отношению к кислым шлакам.

низкая температура начала деформации.

высокая термостойкость.

низкая склонность к усадке.

сохранение постоянного объема при  нагревании и охлаждении.

 

61. К какой группе  материалов по химико-минеральному составу относятся шамоты?

кремнеземистые.

магнезиальноизвестковые.

периклазохромитовые.

некислородные.

алюмосиликатные.

 

62. Каков примерный состав шамотных материалов?

Al₂O₃  72 —  90%.

Al₂O₃  28 —  45%.

MgO  35 – 40%.

ZrO₂.

SiC.

 

63. Каков примерный состав динасовых  материалов?

SiO₂  > 93 %

Al₂O₃  28 —  45%.

MgO  35 – 40%.

ZrO₂.

SiC.

 

64. Какие огнеупорные материалы называют периклазовыми?

содержащие не менее 85% MgO.

содержащие не менее 85% SiO₂ .

С. содержащие В.

D. содержащие более 40% ZrO₂.

E. содержащие не менее 50% SiC.

 

65. Из перечисленных материалов назовите естественный теплоизоляционный материал:

шамот.

периклаз.

магнезит.

динас.

диатомит.

 

66. Температурное поле называется стационарным, если выполняется условие:

A. t ≠f(τ)   =0                                   C. правильного ответа нет

B. t= f(τ)   ≠0                                   D. t =f(τ)   =0

 

E. da/dτ>>C

 

67. Температурное поле называется нестационарным, если выполняется условие:

A. t ≠f(τ)   =0                                   C. правильного ответа нет

B. t= f(τ)   ≠0                                   D. t =f(τ)   =0

 

Е. da/dτ>>C

 

68. Какое направление имеет вектор градиента температур?

в сторону увеличения температуры

в сторону уменьшения температуры

совпадает с направлением теплового потока

надо знать краевые условия задачи

правильного ответа нет

 

69. Рассчитайте значение Nu, если скорость потока ω = 20 м/сек, толщина пластины δ = 20 мм, коэффициент теплоотдачи α = 110 Вт/м² · С⁰, коэффициент теплопроводности λ = 20 Вт/м · С⁰.

Nu = 32

Nu = 0,11

Nu = 22

определить нельзя, надо знать Re

правильного ответа нет

 

70. Рассчитайте значение Re, если скорость потока ω = 20 м/сек, диаметр канала d = 40 мм, коэффициент теплоотдачи α = 110 Вт/м² · С⁰, коэффициент вязкости ν = 5 · 10^-4 м/сек.

Re = 800

Re = 1600

Re = 2300

определить нельзя, надо знать Nu

правильного ответа нет

 

71. Рассчитайте коэффициент температуропроводности а, если теплоемкость равна 682 Дж/кг · С⁰, а плотность 7800 кг/м³.

рассчитать нельзя, надо знать значение Fo

а = 7 · 10^-6  м²/сек

а = 32  м²/сек

Рассчитать нельзя, надо знать толщину тела, т.к. а – геометрический фактор

правильного ответа нет

72. Рассчитайте значение числа Фурье, если коэффициент температуропроводности а = 7·10^-6 м²/сек, толщина пластины δ=0,22, время τ = 2 часа.

надо знать краевые условия задачи

Fo = 2,44

Fo = 1,26

Fo = 350 · 10^-6

E. правильного ответа нет