Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Нагрев и нагревательные устройства учебно-методическое пособие

..pdf
Скачиваний:
10
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
314.53 Кб
Скачать

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»

Кафедра «Динамика и прочность машин»

Г.Л. Колмогоров

НАГРЕВ И НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2010

УДК 669.041.47 К60

Рецензент

канд. физ.-мат. наук, проф. А.А. Лежнева (Пермский государственный технический университет)

 

Колмогоров, Г.Л.

К60

Нагрев и нагревательные устройства: учеб.-метод. посо-

бие / Г.Л. Колмогоров. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та,

 

2010. – 33 с.

В учебно-методическом пособии изложено содержание дисциплины «Нагрев и нагревательные устройства».

Предназначено для студентов заочного обучения направления 651400 «Машиностроительные технологии и оборудование», специальности 120400 «Машины и технология обработки металлов давлением».

УДК 669.041.47

©ГОУ ВПО «Пермский государственный

технический университет», 2010

2

ВВЕДЕНИЕ

Печная теплотехника – наука, изучающая теплотехнические и сопутствующие им процессы, протекающие в печах (горение топлива, теплопередачу, движение газов и материалов), методы их расчета и принципы конструирования печей, в частности, печей, используемых в черной и цветной металлургии, а также в машиностроении1.

Печи – это аппараты, в которых выделенное тепло расходуется на нагрев до высокой температуры или плавления материалов для изменения их свойств или получения новых материалов. Нагревая сталь или цветные металлы в печах, можно изменить их механические свойства или структуру, так как с повышением температуры железо, сталь и цветные металлы переходят в более пластическое состояние. Это свойство позволяет менять их форму при небольшой затрате энергии (прокатка, ковка, штамповка, волочение).

Структура металла различна при различных температурах, а от структуры зависят их механические свойства. Путем тепловой обработки металлу можно придать наиболее благоприятную структуру.

Металлургические печи можно разделить на две характерные группы: нагревательные и плавильные.

Например, нагревательные термические печи для обработки стали работают при 700–900 °С, цветных металлов – при 500– 800 °С. Плавильные печи для меди, например, – при 1250–1400 °С, сталеплавильные – при 1700–1900 °С.

Из общего количества потребляемого топлива около 50 % сжигается в различных печах, что говорит о большом значении печной теплотехники.

1 Металлургические печи: в 3-х частях / Д.В. Будрин [и др.]; под науч. ред. М.А. Глинкова. – М., 1963.

3

1.ТОПЛИВО И РАСЧЕТЫ ГОРЕНИЯ

Внастоящее время основное количество энергии получают

врезультате использования ископаемого топлива – угля, торфа, нефти и природного газа.

Топливо, применяемое в металлургической промышленности, имеет органическое происхождение и состоит из элементов, свойственных органическим веществам (С, Н, О, N и S).

По агрегатному состоянию различают твердое, жидкое и газообразное топливо.

Углерод – наиболее важная составляющая топлива. При горении углерода выделяется значительное количество тепла. В топливе углерод находится в виде органических соединений с другими элементами.

Водород – также важная составляющая топлива. Теплота сгорания водорода приблизительно в 3,5 раза больше углерода. Водород находится в виде различных соединений с углеродом, серой, кислородом и в свободном состоянии.

Азот является балластом, т.к. в процессе горения не участвует и переходит в продукты сгорания.

Кислород – нежелательная составляющая в топливе, также яв-

ляется балластом, образуя соединения типа Н2О, СО2 и др.

Сера – находится в виде органической серы, связанной с другими элементами, образуя сульфиды.

Влага – нежелательная составляющая в топливе. Она требует значительного количества тепла для испарения и последующего нагрева водяных паров до температуры продуктов сгорания.

Зола – также является нежелательной составляющей топлива. Чем больше в топливе содержится золы, тем труднее избежать потерь тепла на нагрев золы. При этом усложняется обслуживание топочного устройства. Зола – твердый негорючий остаток.

Для горения топлива необходим кислород, обычно поступающий из воздуха. Количество воздуха, вводимое для горения, зависит от состава топлива и условий его сжигания, а также от состава са-

4

мого воздуха. Например, расход атмосферного воздуха больше расхода обогащенного кислородом воздуха.

1.1. Теплота сгорания

При горении топлива выделяется тепло. Количество тепла, выделяемое при полном сгорании единицы количества топлива, называется теплотой сгорания.

Теплота сгорания топлива определяется опытным путем в калориметрах. Теплота сгорания различных топлив колеблется в широких пределах. Для мазута она ~10 000 ккал/кг, для хорошего каменного угля ~7000 ккал/кг, для хорошего бурого угля 4500– 5000 ккал/кг, для торфа 2800–3500 ккал/кг, для природного газа («сухого») ~8500 ккал/нм3, для коксового газа 4000–4500 ккал/нм3.

Чем выше теплота сгорания топлива, тем больше его ценность, так как для получения одинакового количества тепла требуется сжечь меньшее количество топлива.

Для сравнительных расчетов вводится понятие условного топлива, приведенного к 7000 ккал/кг. Для сопоставления данного топлива с условным пользуются величиной калорийного эквивалента

Эк = 7000Q .

1.2. Виды топлива

Естественные виды твердых топлив: исторически дрова, торф, ископаемые угли (бурые, каменные). Высшая стадия метаморфизма углей – антрацит, горючие сланцы.

Искусственные виды твердого топлива: кокс. Под коксованием понимают промышленный способ получения кокса из спекающих углей путем их нагрева до 1000–1200 °С без доступа воздуха. При этом образуется сложная смесь газов (смолы, воды, химические соединения) и твердый углистый остаток – кокс.

5

Крупный кокс используется в доменных печах, в вагранках, в шахтных печах цветной металлургии. Подавляющая масса кокса используется для доменной плавки.

Жидкие топлива. В первую очередь – нефть. Нефть – маслянистая жидкость, чаще всего темно-коричневого, почти черного цвета, представляет собой сложную смесь углеводородов различных классов и молекулярных весов, в которой в небольшом количестве находятся кислородные, азотистые и сернистые соединения. Углеводороды в составе нефти представлены тремя классами: предельными типа СпH2п+2, нефтеновыми СпH2п и ароматическими типа СпH2п–6. Содержание данных углеводородов сильно колеблется, поэтому нефть различных месторождений отличается по удельному весу, фрикционному составу и свойствам.

В состав нефти кроме углеводородов входят высокомолекулярные соединения – смолы (от 1 до 20 %), содержащие кислород и серу.

Зольность нефти ничтожна (0,1–0,3 %), так как минеральные вещества в ней не растворяются. Плотность различных нефтей лежит в пределах 0,75–1,0 кг/дм3 , чаще всего 0,85–0,93 кг/дм3. Чем меньше плотность, тем больше выход светлых продуктов (бензина, лигроина, керосина, газойля). Теплота сгорания нефти Q = 9800– 10 500 ккал/кг. Нефть как и ископаемые угли – органического происхождения.

Сырая нефть как топливо не используется по техническим (низкая температура вспышки) и экономическим причинам, т.к. при ее переработке получают значительно более ценные продукты. Основными видами современной переработки нефти являются первичная и деструктивная.

Первичная переработка заключается в прямой перегонке нефти путем нагрева до различных температур: при этом выделяются составные части нефти, обладающие различной температурой выкипания. Эти фракции получаются в виде паров, которые при охлаждении конденсируются и переходят в соответствующие фракции, бензиновые (авиабензин и автобензин), лигроиновая, керосиновая, газойлевая, в конце остается мазут.

6

К деструкционным методам переработки нефти относятся крекинг, коксование, гидрогенизация и ряд других. Крекинг – наиболее распространенный способ – используют для более высокого процента выхода бензина (30–35 %) по сравнению с перегонкой

(10 %).

Основным жидким топливом для промышленных печей является мазут. Различают мазуты: масленый, смазочный и топочный. Качество мазута определяют по его физическим характеристикам: вязкость, температура вспышки и температура застывания. Мазуты классифицируют по маркам (сортам) в зависимости от ВУ50. Номер марки соответствует условной вязкости при 50 °С. Мазут выпуска-

ется 6 марок (20, 40, 60, 80, 100, 200). Мазут марок 100 и 200 даже летом при температуре соответственно 25 °С и 36 °С – твердое тело. Большая вязкость и высокая температура застывания препятствуют транспортировке мазута по трубам.

По содержанию серы мазуты делят на три группы: малосернистые, сернистые и высокосернистые (более 1 %). Зольность мазута не превышает 0,3 %.

Одним из видов жидких топлив являются смолы, получаемые при термической переработке твердых топлив, например, газогенераторные смолы.

Газообразное топливо по сравнению с другими обладает преимуществами:

а) возможность более тщательного смешивания с воздухом, что обеспечивает полное сгорание при минимальных избытках воздуха и меньшие потери тепла с отходящими газами;

б) возможность достижения высоких температур горения за счет предварительного нагрева и газа, и воздуха. Это важно для высокотемпературных печей, работающих на газах невысокой теплоты сгорания;

в) простота сжигания и легкость регулирования температуры, длины факела и атмосферы печи, легкость автоматизации печей;

г) удобство транспорта газа от мест производства к потребителям.

7

Газ все шире используется в металлургической промышленности, вытесняя твердые и жидкие топлива.

Природный газ. В его состав входят преимущественно углеводороды предельного ряда (типа СпH2п+2), кроме них входит незначительное количество балластных газов (H2S, СО2, N2). Природные газы разрабатываются при помощи буровых скважин глубиной от 1 до 5 км. Транспортировка газа – трубопроводный транспорт горючих газов. Для транспортировки по газовой трассе через каждые 100–200 км устанавливают компрессорные станции.

Использование природного газа. Природный газ – это высококалорийное, наиболее дешевое и удобное для применения энергетическое и технологическое топливо, а также сырье для химической промышленности. В настоящее время природный газ применяется для большинства доменных печей, мартеновских и нагревательных печей. При переводе мартеновских печей на природный газ их производительность повышается на 8–10 %. Доменный, коксовый и смешанный газы. На современном металлургическом заводе с полным металлургическим циклом получают значительное количество доменного и коксового газов, которые используют раздельно или чаще всего в смеси. В состав смешанного газа могут входить и другие газы, например, газогенераторный.

Доменный газ получается как побочный продукт при выплавке чугуна в доменных печах.

Коксовый газ, выходящий из коксовых батарей имеет высокую температуру (800–900 °С) и содержит ряд примесей, которые не позволяют его применять в газовых устройствах. Его подвергают сложной обработке и очистке.

Коксодоменный (смешанный) газ обладает теплотой сгорания

1200–2200 ккал/нм3.

Генераторный газ получают из твердых топлив. Процесс газификации заключается в полном превращении твердого топлива под воздействием кислорода в горючий газ.

Применяют жидкие углеводородные газы. При переработке нефти и природных газов, а также их очистке получают значитель-

8

ное количество жидких углеводородов, которые легко переходят

вгаз. Это предельные пропанобутановые смеси. При обычной температуре и давлении (до 20 атм) эти углеводороды представляют собой жидкость, занимая небольшой объем: пропан в 300 раз, бутан

в230 раз меньше, чем в виде газа (этан, пропан, изобутан, н-бутан).

1.3. Огнеупоры и другие материалы для сооружения печей

Огнеупорами называют строительные материалы, служащие для сооружения тепловых агрегатов и способные противостоять действию высоких температур, а также воздействию физических и физико-химических процессов, происходящих в тепловых агрегатах при высоких температурах.

Качество огнеупоров определяется их способностью воспринимать высокие (900–1800 °С) температуры.

Огнеупоры в виде штучного материала (кирпич различных размеров и форм) применяют для кладки печей и их узлов. Огнеупоры в виде бетонов и различных масс применяют для изготовления отдельных частей.

Главными потребителями огнеупоров являются металлургические предприятия.

ВXVIII веке интенсивно развивалась уральская металлургия.

К1880 г. на трех металлургических заводах (Златоустовская оружейная фабрика, Пермский пушечный завод, Обуховский завод) уже имелись цехи, изготовлявшие тигли для плавки стали. Произ-

водство огнеупоров возрастало по мере развития металлургии. С 1933 г. ввоз из-за границы был прекращен.

Огнеупорные материалы можно назвать цементами высоких температур, а готовые огнеупорные изделия – бетонами высоких температур.

При изготовлении огнеупорных изделий массу определенной дисперсности и определенного химического состава формуют, сушат, а затем обжигают. При обжиге огнеупоров отдельные зерна и крупинки огнеупорного материала пропитываются и смачиваются

9

небольшим количеством жидкой фазы, которая образуется вследствие шлакования главного окисла (например, Si2О, МgО и т.п.). Количество жидкой фазы зависит от температуры обжига.

Академик А.А. Байков формулирует условия получения качественных огнеупорных материалов:

а) присутствие в шихте необходимого количества плавней, с которыми исходный материал может образовывать жидкую фазу и растворяться в ней;

б) соответствующая температура обжига, обеспечивающая минимально необходимое количество жидкой фазы;

в) выдержка при этой температуре в течение времени, необходимого для протекания процесса перекристаллизации.

Виды огнеупоров. Динасом называется огнеупорный материал, изготовленный из кварцевых пород и содержащий не менее 93 % SiO2. Применяется при производстве стали, а также в коксовом и стекольном производстве. Сырье – различные кварциты, песок, в качестве связующего вещества – известь.

Шамотные глиноземистые огнеупоры содержат от 30 до 45 % AL2О3. Сырье – огнеупорные глины и каолины. Главной составной частью пластичных огнеупорных глин является каолинит

AL2O3 2Si2 2H2O.

Примеси (до 6 %) K2O, Na2O, CaO, MgO, TiO2, Fe2O3 и др.

Высокоглиноземистые огнеупоры, изделия которых содержат более 45 % Al2O3, изготовлены путем обжига сырца, отформованного из измельченного корунда. Сырье – корунд Al2О3, диаспор

AL2O3 H2O, боксит AL2O3 nH2O, андалузит Al2O3 SiO2 , гид-

раргилит AL2O3 3H2O.

Магнезитовые огнеупоры – изделия, содержащие не менее

85 % MgО.

Доломитовые огнеупоры – из доломита (CaCO3, MgCO3) содержат примеси SiO2, Fe2O3, Al2O3 и др. Форстеритовые огнеупоры содержат от 35 до 55 % MgO.

Хромитовые огнеупоры содержат не менее 25 % Сr2O3.

10