1 Общие указания и задание на курсовую работу

1.1 Исходные условия

На металлургическом заводе с полным циклом сжатый газ (кислород, воздух, природный газ и т.п.) с давлением Р_1изб и объемным расходом при нормальных условиях (н.у.) V_1н после компрессора, установленного на компрессорной станции, или ГРС подается по заводскому кольцевому трубопроводу к заводским цехам (узлы 1 и 6, рис. 1.1, а и б) и далее по цеховому трубопроводу (рис. 1.2), гибкому шлангу (рис. 1.3): а) к фурме и соплам дутьевых устройств (наконечников фурм) (кислородного конвертера (рис.1.3), доменной печи, мартеновской печи, внепечной (ковшевой) обработки стали и др.) (нечетные №№ вариантов); б) к горелкам огнетехнического агрегата (мартеновской печи, котлов ТЭЦ, ПЭВС, нагревательных печей прокатных станов, известково-обжигательных печей и др.) (четные №№ вариантов).

В случае а) из узлов 2-4, 6-9 заводского трубопровода отбираются объемные, приведенные к нормальным условиям, расходы V₂, V₃, V₄, V₆, V₇, V₈, V₉ для нужд цехов завода, в случае б) – из узлов 1-4, 7-9 отбираются расходы V₁, V₂, V₃, V₄, V₇, V₈, V₉. Задвижки I-XII могут быть в зависимости от эксплуатации заводского трубопровода как открыты, так и закрыты. Размеры участков, составляющих кольцевой трубопровод: длины - L₁₂, L₂₃, L₁₄, L₂₅, L₃₆, L₄₅, L₅₆, L₄₇, L₅₈, L₆₉, L₇₈, L₈₉; (диаметры - d₁₂, d₂₃, d₁₄, d₂₅, d₃₆, d₄₅, d₅₆, d₄₇, d₅₈, d₆₉, d₇₈, d₈₉).

Движение газа в трубопроводах на участках заводского I-II (рис. 1.1) и цехового II-III (рис. 1.2) трубопроводов можно считать изотермическим (Т  const). При входе в цех из-за увеличения рекомендуемой скорости газа уменьшается поперечное сечение трубопровода. На участке II-III при совместной работе двух (и более) агрегатов с объемным расходом газа соответственно V_1н.у, V_2н.у и т.д. для снижения потерь давления в цеховом трубопроводе или для более надежной его работы предусмотрена дополнительная (байпасная или резервная) линия 2 длиной l₂, подключенная параллельно основному цеховому трубопроводу длиной l₁, с одной простой задвижкой и диаметром трубопровода (в два раза меньшим основного) d_цех/2. На участке II-III основного газопровода постоянного сечения (d = const, F = const) имеется z₁ и z₂ плавных поворотов, соответственно под углом 45° и 90°, радиус поворота которых равен R_пов = 0,1k диаметрам трубопровода (k – номер варианта по журналу группы), число простых задвижек z₃. Степень закрытия h_закр/d (или открытия h_откр/d) последних выбирается согласно варианту задания к курсовой работе. Далее происходит разделение газопровода на n_отв (два или более) ответвлений для подачи газа на технологические агрегаты (обвязочный трубопровод): из одного с расходом V_1н.у осуществляется отбор газа для интересующего агрегата, из других – отбор газа величиной V_2н.у. После этого поток газа продолжает движение без теплообмена с окружающей средой (адиабатное течение) по коротким участкам гибкого шланга длиной l_ш и водоохлаждаемой фурмы (или горелки) длиной l_ф и диаметром d_ф, затем поступает к соплам, число которых: в наконечнике (головке) кислородной фурмы кислородного конвертера и мартеновской печи – z_с; в горелке котельного агрегата, нагревательной печи – z_с  1. Число фурм воздушного дутья, и соответственно гибких шлангов, в доменной печи z_ф  18  24, количество сопел в фурме z_с  1. В зависимости от полного перепада давлений П₀  Р₀/Р_ на сопловом устройстве, конструктивных особенностей дутьевого устройства и обеспечения наименьших потерь давления в конфузоре сопла, необходимо выбрать, исходя из геометрического воздействия на поток, соответствующую конфигурацию сопла – сужающееся сопло или сужающееся – расширяющееся сопло (Лаваля) с полууглом раствора конического диффузора _а, обеспечивающие соответственно до- или сверхзвуковое расчетное истечение. В случае самостоятельного выбора, или согласно заданной преподавателем конструкции, сопла с коническими образующими расширяющейся и сужающейся частей (условно «диффузора и конфузора»), угол между образующей конфузора и осью сопла составляет _вх.

В дальнейшем истекающий из сопел сверхзвуковой (или дозвуковой) поток в случае а) осуществляет продувку металлического расплава газами (кислородом, воздухом, инертными газами и т.п.) вертикально сверху (или снизу). Струя газа внедряется в слой расплавленного металла плотностью _ж на глубину H. При этом расстояние от среза сопла до поверхности металла составляет калибров выходного диаметра сопла. В случае б) струя газа (воздуха, топлива) истекает в высокотемпературное (или затопленное) пространство теплотехнического агрегата, где осуществляется факельное сжигание подаваемого через сопло горелки топлива (природный газ, угольная пыль и т.п.) в потоке окислителя (диффузионное горение), с образованием факела длиной l_ф = . В зависимости от режима эксплуатации, истекающие до- или сверхзвуковые струи могут распространяться (подаваться) в разогретой или холодной окружающей среде (смеси продуктов сгорания).

Периодически в поток перед соплом могут вводиться порошкообразные материалы: для случая а) (дутьевые устройства) - угольная пыль, графит, известь и др.; для случая б) (горелки) - угольная пыль, мазут.

Необходимо определить потери давления на всех участках трубопроводов, давление газа после заводского трубопровода на входе в цех Р₂, перед фурмой (горелкой) Р₃ и перед соплами Р₄ при работе одного и более агрегатов.

а)	б)
Рисунок 1.1 – Схема заводского трубопровода: а) нечетный вариант; б) четный вариант

Рисунок 1.2 – Схема цехового трубопровода

Рисунок 1.3 – Схема транспортировки газа по обвязочному трубопроводу к технологическому агрегату (конвертеру)

Рассчитать параметры потока при однофазном (и двухфазном, если этот вариант предусмотрен заданием) течении в соплах без учета потерь на трение (изоэнтропное течение). Результаты расчета представить на iS–диаграмме расширения газа в соплах. Сравнить с результатами, полученными при учете потерь давления (на трение, неравномерность и непараллельность потока оси сопла и др.) в соплах. Рассчитать размеры входного участка сопла, в т.ч. на ЭВМ, с учетом выбранной (или заданной) компоновки сопла (например,по методу Витошинского и др.) и профиль сопла представить на графике.

При известной степени нерасчетности истечения n, возникающей из-за колебания давления в газопроводе, рассчитать параметры нерасчетной сверхзвуковой струи (площадь и диаметр максимального сечения первой бочки и изобарического сечения, скорость, безразмерные скорости – число Маха и приведенная скорость, полное давление и др. в этих сечениях) на начальном газодинамическом участке, в сечении адаптации к внешним условиям (давлению) и сверхзвуковом участке струи (длина волны периодической структуры, длина потенциального и сверхзвукового ядра, толщина струи в конце указанных участков и др.).

Определить в этих условиях изменение параметров (скорости, концентрации, энтальпии и температуры газа) вдоль оси свободной сверхзвуковой (или дозвуковой) струи и в ее поперечных сечениях на расстоянии калибров (диаметров) от выходного сечения сопла. Изменение скорости, температуры и концентрации истекающего газа или газа окружающей среды вдоль оси и по поперечному сечению струи представить на графиках по точкам, рассчитанным в т.ч. на ПЭВМ.

Исходные данные для расчета курсовой работы приведены в Приложениях А и Б.