- •Кафедра «Технічна теплофізика»
- •«Оптимізація енерговитрат у металургійних технологіях»
- •Рецензент: доц. Пархоменко д.І.
- •1. Совершенствование технологии нагрева заготовок в роликовых проходных печах
- •Технология нагрева металла в роликовых проходных печах
- •1.2.2. Разработка расчетных зависимостей для определения параметров истечения конечного теплоносителя
- •1.3. Расчет нагрева заготовок в конвективной печи
- •1.4. Оптимизация технологии нагрева заготовок
- •1.4.1. Влияние скорости истечения теплоносителя на процесс нагрева заготовок
- •Нагрев заготовок при постоянном тепловом потоке
- •1.4.4. Улучшение характеристик процесса нагрева за счет повышения температуры рециркулята, идущего на смешение с продуктами сгорания природного газа
- •2.Новая концепция постановки и решения задачи оптимального управления тепловым режимом термических печей
- •2. Разработка математической модели нагрева заготовок
- •3. Анализ влияния различных параметров на время нагрева заготовок и расход топлива
- •4. Отработка оптимального режима нагрева заготовок при помощи математической модели
1.2.2. Разработка расчетных зависимостей для определения параметров истечения конечного теплоносителя
Поскольку в рассматриваемом агрегате основным видом передачи тепла от теплоносителя к заготовкам является конвекция, то существенным этапом изучения работы агрегатов этого типа является определение взаимосвязи между расходом теплоносителя, его давлением, скоростью истечения применительно к характеристикам подводящей системы.
В общем случае для решения задач такого типа строится газодинамическая схема агрегата, которая показывает статьи потерь давления в зависимости от расхода теплоносителя, и на основе ее анализа выбираются расчетные зависимости.
В общем случае давление расходуется на [1]:
– покрытие потерь давления на трение
,
где
– коэффициент трения; L
– длина
участка трения, м;
– гидравлический диаметр канала (F
– сечение канала, м2,
Р
– смачиваемый периметр канала, м), м;
– плотность движущейся среды, кг/м3;
V
– расход
движущейся среды, м3/с;
t
– температура
движущейся среды, С.
– покрытие потерь на местное сопротивление:
,
где кмс–
коэффициент местного сопротивления.
– покрытие гидростатических потерь:
,
где h
– высота
участка подъема или спуска, м; g
– ускорение свободного падения, м/с2;
ср
– плотность среды, окружающей канал,
кг/м3.
Правило
знаков для зависимости:
если движущаяся среда легче среды,
которая окружает канал, то при движении
вверх должен быть получен отрицательный
ответ (прирост давления), а при движении
вниз положительный (потери давления);
в случае если движущаяся среда тяжелее
среды, которая окружает канал, то имеем
обратную ситуацию с расстановкой знаков.
– истечение среды:
,
где w–
требуемая скорость истечения;
– коэффициент потерь скорости.
Для сложных гидродинамических систем, в которых имеют место различные потери давления, значение давления которое позволит обеспечить прокачивание заданного расхода теплоносителя и его истечение с заданной скоростью определяется по следующей зависимости:
где
m,
n,
l
– число участков трения, местного
сопротивления и гидростатических потерь
соответственно, kвв
– коэффициент
взаимного влияния местных сопротивлений
(обычно выбирается равным 1,1-1,2).
Исходя из устройства систем газовоздухоснабжения, рециркуляции и струйных коллекторов рассматриваемой печи можно выделить такие участки трения:
трение в газоподводящем канале;
трение в воздухоподводящем канале;
трение при движении по участкам рециркуляционной системы;
трение при движении теплоносителя в коллекторе;
и такие местные сопротивления:
смешение газа в воздухом в двухпроводной горелке;
смешение продуктов сгорания и воздуха;
вход готового теплоносителя в струйный коллектор;
разделение теплоносителя между соплами в струйном коллекторе.
Для направленного управления работой печи необходимо определить:
– давление теплоносителя в раздающем струйном коллекторе РТ1, которое позволит обеспечить заданную скорость истечения
,
(1.2)
где 1 – коэффициент потерь скорости, для патрубков с острыми кромками при входе равен 0,82-0,85.
– давления воздуха, идущего на разбавление продуктов сгорания природного газа РВП1.
Удобной является зависимость вида
(1.2), в которой потери давления учтены
при помощи кажущегося коэффициента
скорости. Таким образом, имеем
,
где 2 –
кажущийся коэффициент потерь скорости,
учитывающий все названные потери
давления, принят равным 0,7.
В
конечном итоге расход теплоносителя
через каждый патрубок определяется
общим расходом теплоносителя (Vобщ)
и
количеством патрубков (n):
,
а скорость истечения теплоносителя
определяется давлением в раздающем
коллекторе (РТ),
плотностью
истекающей среды ()
и коэффициентом потерь скорости (=0,82)
(1.2). С точки зрения сказанного, целесообразно
диаметр сопла выбрать таким образом,
чтобы струя выходила из сопла полным
сечением. Исходя из этого, диаметр сопла
определяется следующим образом:
.
На основании изложенной методики написана соответствующая расчетная программа на языке MAthCAD 2001. Ее текст приведен в приложении Б.
Лекция №5
Влияние различных параметров на скорость истечения теплоносителя
Н
а
рис. 1.2 показаны требуемые уровни давления
конечного теплоносителя в раздающем
коллекторе и теплоносителя, идущего на
разбавление продуктов сгорания. На рис.
1.3 отражена зависимость диаметра
патрубка, обеспечивающего выход теплоносителя полным сечением в зависимости от рабочей скорости истечения.
Так для скорости истечения теплоносителя 20 м/с при максимальном режиме работы горелок оптимальный диаметр сопла составляет 0,041 м.
1.2.3. Изучение особенностей струйного движения теплоносителя
Для расчета параметров истекающих струй использованы элементы теории струйного движения [1].
Так, зависимость диаметра раскрывающейся струи от расстояния до среза сопла определяется при помощи следующего выражения:
,
где D0 – диаметр сопла, м.
На рис. 1.4. показано изменение диаметра струи в зависимости от расстояния от исследуемого сечения до среза сопла. Результаты соответствуют скорости истечения теплоносителя 20 м/с и диаметру сопла 0,041 м.
Изменение скорости на оси струи описывается следующим выражением:
,
где W– выбранная скорость истечения, м/с.
Изменение скорости на оси струи в зависимости от расстояния до среза сопла для скорости истечения теплоносителя 20 м/с показано на рис.1.5 а.
Однако теплоотдача от факела, набегающего на поверхность нагреваемой заготовки, определяется не скоростью на оси струи, а средней скоростью по сечению струи, соответствующему расстоянию от среза сопла до нагреваемой поверхности:
Учитывая известный закон распределения скорости в поперечном сечении струи, в данной работе установлено, что среднеинтегральное значение скорости в сечении струи составляет 18/70 от значения скорости точки, лежащей на оси струи и принадлежащей рассматриваемому сечению. Изменение средней скорости по сечению струи в зависимости от расстояния до среза сопла для скорости истечения теплоносителя 20 м/с показано на рис.1.5 б.
Лекция №6
