Есептер

№1

Болаттан жасалған жұқа дене дейін қыздырылған. Қоршаған ортаның температурасы Осы температураға дейін қыздырылған дененің жету үшін қажетті уақытты есептеңіз.Дененің қалыңдығы

№2

Болаттан жасалған жұқа дененің температурасы Пеш температурасы Дененің температурасы дейін жету үшін қажетті уақытты есептеңіз.Дене қалындығы

№3

Болаттан жасалған ұзын білік диаметрі Температурасы Пеш температурасы

Біліктің температурасы 800ºС дейін көтеру үшін қажетті уақытты есептеңіз.

Мысал. Қыздыру процесінің ұзақтылығы 2,5 сағат. Диаметрі 400 мм ұзынша келген болат білігі бойынша температура таралуың анықтау қажет.

Болаттың жылуөткізгіштік және температураөткізгіштік коэффициенттері тен болады: =42 Вт/(м·^оС); а = 1,18 · 10 ^–5 м²/с. Пештең білікке ауысатың конвективтік коэффициент тен: =116 Вт/(м·^оС).

Зерттеуді жүргіздіру үшін үлгі тандау қажет. Үлгі ретінде кішікірім пеште кішікірім білікті қыздырамыз.

Үлгі үшін: = 16 Вт/(м·^оС); а_м = 0,53 · 10 ^–5 м²/с; =150 Вт/(м·^оС).

Содан сон Био және Фурье сандары есептеледі:

Вi_м = Вi және Fо_м = Fо.

Білік үшін Био және Фурье критерии тен болады:

Білік диаметрінің келесі шарт бойынша табамыз:

Вi_м = Вi

Fо_м = Fо шарт арқылы қыздыруға қажетті уақытты табамыз:

Жауабы::

5. Металлургиялық пештер конструкциясы және жұмысы

5.1. Жылжымалы еденді камералық пештің жылулық жұмысы

(Есеп мысалы)

Сәуле шағыстыру беттіктің геометриялық параметрлері

металдың қыздырылатың беттігі

астар ауданы

сәуленің орташа эффективтік ұзындығы: где V_г — сәуле шығаратың газ көлемі м³; оның беттік ауданы

F, м²;

0,9 — эффективтік коэффициент.

Орташа биіктік:

Пештін жұмыстық көлемі:

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

Қыздырылатың металл көлемі (садка көлемі):

.

Газ көлемі

V_F = V_р.п — V_м = 94 —10 = 84 м³.

Сәуле шығару беттік:

Газ қабатының эффективтик қалындығы:

Газдың қаралық дәрежесі:

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

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

Рсо₂S_эф және Рн₂оS_эф, газдың қаралық дәрежесін есептейміз. Температура газа t_г = 300⁰С. При Рсо₂*Sэф = 0,0117 Мн/м и t_r = 300°С, = 0,11.

Су буының қаралық дәрәжесін табамыз:

Рн₂оS_эф = 0,0346 Мн/м и t_г = 300°С = 0,29.

при Рн₂о = 0,0239 Мн/м

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

t_r = 300°C газдын қаралық дәрежесі

Металдың қаралық дәрежесі _м = 0,8

С_r.к.м.=

где

5.2.Керамикалық рекуператордың жылулық жұмысы

(Есеп мысалы)

Керамикалық рекуператор 500- 700°С-қа (900—1000°) жоғары температураға дейін ауаны қыздыруға болатын қондырғы. Керамикалық рекупертордың негізгі жабдығы шамот, карбошамот, яғни карборунд және шамот қоспасы.

Керамикалық рекуператор қондырғысы карборундтық құбырдан да жасалуы мүмкін. Карборунд рекуператорлық элементтер қабырғаларының 8-10 есе жоғары жылу өткізгіштігімен шамоттан ерекшеленетін жоғары отқа төзімді жабдықтарының бірі болып табылады. 1000°С-ғы карборунд жылу өткізгіштік коэффициенті λ = 8÷10 ккал/м*сағ*°С, ал шамот 1,0—1,3 ккал/м*сағ*°C. Алайда карборунд өте қымбат жабдық болып табылады, шамамен шамоттан 8 еседей қымбат. Сонымен қатар карборунд күйіндіден бай темірмен ажыратылады, күкірттің әсеріне қарсы тұру қабілеті нашар. Сондықтан бұл кемшіліктерімен қоса карборунд қымбат болғандықтан, оны рекуператорлық элемент ретінде пайдалануды қысқартады.

Алғашқы керамикалық рекуператор қарапайым тікелей шамоттық кірпіштен жасалған. Мұндай рекуператор құрылысының құны төмен болып табылады. Алғашқы керамикалық рекуператордың жылулық эффективтілігі қабырғалары өте жоғары газ өтімділікте болғандықтан төмен болды, сонымен қатар 65мм қалыңдықтағы қабырғалардың жоғары термиялық кедергісі үлкен болғандықтан жылу беру коэффициентінің мәні де төмен.

Қазіргі кезде керамикалық рекуператорларын құбыр кескінге ие фасондық шамоттық тастан немесе ауа мен түтіндік газдар өтетіндей тесіктері бар блоктардан салады. Газөткізгіштігін жоғарлату мақсатымен ауа мен түтін жағы аралығынан лабиринттік, тығыздық Сондай-ақ газ тығыздығын жасайды. Рекуператор элементтерінің жапсарларының бұл жерін фигуралық қылып жасайды. Сонымен қатар газ тығыздығын жоғарлату үшін кейін керамикалық рекуператор блоктарын намесе құбырлардың жапсырма беттігін өртеуден кейін тегістейді, ал монтажда арнайы цементпен байланыстырады.

Жылулық кедергісін азайту үшін, жоғары жылуды пайдалану үшін рекуператорлық элементтер қабырғасын мүмкіндігінше жүқа қылып жасау қажет, ал рекуператордың газтығыздығын жоғарлату үшін элемент габариттерін мүмкіндігінше үлкейту қажет. Рекуператорлық элементтердің қажетті беріктігін қамтамасыз ету үшін фасондық шамоттық тастар қабырғасының қалыңдығын 13-15мм жоғары, ал максимальды габариттік өлшемі (құбыр немесе блок ұзындығы) 350-400мм.

Рекуператорлық элемент жапсар орнында рекуператордың қажетті газөтімділігін жасауда тігістің ролі жоғары. Элементтердің горизонтальдық орналасуы кезінде құрастырушы тігістер көлбеу және сондықтан төмен газотығыз, өйткені элементтерді қыздыру кезінде пайда болатын жарықшақтар суыту кезінде жабылмайды.рекуператор элементтерінің тік орналасуы кезінде және горизонтальды құрастырушы тігістер болса, жапсарлардың тығыздалуына элементтер бағанасының қысымы әсер етеді. Сондықтан мұндай рекуператорлар көбінесе газотығыз болып келеді.

Соңғы кезде керамикалық рекуператор конструкциясында тек қана тік орналасқан (тастардың) элементтерді және горизонтальдық тігістерді пайдаланады.

Жоғарыда аталған конструктивті шараларға қарамастан, керамикалық рекуператордың газтығыздығы рекуператордың жарамдылық мерзіміннің ұзаруын қысқартатын жоғары мәнге ие.

Керамикалық рекуператор жапсарының газөтімділігін төмендету үшін ауа мен түтін аймағы аралығында жоғары қысымның құлауын, сәйкесінше газдар мен ауаның жоғары жылдамдығын болдырмау қажет. Газдық ортадағы төмен жылдамдық, сонымен қатар ажыратқаш қабырғалардың жоғары термиялық кедергісі керамикалық рекуператордың әдетте 2—6 ккал/м²*час*°С мәнін құрайтын жылу беру коэффициентінің төменгі мәнімен ескеріледі

Керамикалық рекуператор есебіне жылу беру және аэродинамикалық кедергі формулаларын пайдалануға болады. Көп жағдайларда керамикалық рекуператорларда жылу беру түтін және ауа арнасы жүйесінде жүреді.

Жылу беру коэффициентін рекуператорда түтінді газ ағынының басталуы мен соңына жеке-жеке есептеу ұсынылған және осы алынған екі мән бойынша рекуператордың беттігінің қажетті қыздырылуын анықтау үшін орташа мәнді табу қажет. Керамикалық рекуператордың түтін арнасында көп ауаның сорылуынан жылу беру коэффициенті елеулі дәрежеде өзгеретіндігінен мұны жасау қажет.

Барлық қыздыру беттігінде сорылған ауа бір текті таралғандығы қабылданған. Түтін аймағына ауаны сору мәнін 25-35% тең деп алуға болады, яғни жоғары мән тек улкен рекуператорларға қатысты.

Шамоттық элементтен жасалған керамикалық рекуператордың үдемелі қыздыру беттігі 6-12 м²/м³ рекуператор камерасының көлемін құрайды. әдетте жылу беру коэффициенті шамамен 2-5 ккал/м*сағ*С° құрайды. Рекуператорда түтіндік газдарының жылдамдығы 0,3-1,0 нм/сек, ауа жылдамдығы - 1-2 нм/сек. Ауа мен түтіндік газдардың аса жоғары жылдамдығын қабылдауға болмайды, әйтпесе қайтарылмайтын қысымның маңызды жоғалулары және сәкесінше рекуператор ауа мен түтіндік аймақтары аралығында жоғары қысымның төмендеуі болуы мүмкін.

Егер керамикалық рекуператорға түсетін түтіндік газдар жоғары мөлшерде шаң, күйе немесе технологиялық қалдықтардан тұратын болса, онда есептеулерден алынған жылу беру коэффициентін 0,7-0,9 түзету коэффициентін енгізе отырып және түтіндік газдардың қалдық дәрежесіне байланысты оның мәнін таңдай отырып төмендету қажет. Жоғары да көрсетілгенде керамикалық рекуператор элементтерінің қабырғаларындағы жарықшақтардың пайда болуы көбінесе өз кезегінде қабырға қалыңдығының, жылу беру коэффициенті және рекуператор қабырғаларының осы және басқа аймақтарындағы газдық орталарының температура айырмашылығының функциясы болып табылатын қабырғалардығы температураның шұғыл төмендеуіне байланысты болады.

Шамоттық элементтердің термиялық беріктігін келесі формула көмегімен тексері ұсынылған:

К (t_д-t_в)δ<8200; (5.1)

мұндағы, K- жылу беру коэффициент, ккал/м²*сағ*Сº;

(t_д-t_в)- тексерілетін бөлімшедегі түтіндік және ауа газдарының температурасы, Сº;

δ- қабырға қалыңдығы, см.

Рекуператордың жылулық есебі. Ауа мен түтіндік газдар аралығындағы жылу беруесебі.берілген жылу мөлшері келесі теңдікпенанықталады.

Q_e=,KFAt_cPem; (5.2)

мұндағы, Q_e —түтіндік газдан ауаға берілетін жылу мөлшері, вт; количество тепла, передаваемое от дымовых газов к воздуху в вт;

К —рекуператордың жылу беру коэффициенті, вт/(м²*град);

F — рекуператордың қыздыру беттік, м²;

At_cp — температуралардың орташа логарифмдік өзгешелігі, град.

(5.2) теңдеуден рекуператор беттігін (әдетте рекуператор есебіне қажет) немесе жылу беру коэффициентін анықтауға болатын келесі екі теңдеуді алуға болады.

F= м², (5.3)

К = вт/(м². град). (5.4)

Жылу беру коэффициенті. Есептеу кезінде жылу беру коэффициентін анықтау аса маңызды және күрделі операция болып табылады.

Рекуператорда жылу беру үш процеспен анықталады:

1.Түтіндік газдардан рекуператор қабырғасына жылу беру.

2.Рекуператор қабырғасы арқылы жылу беру.

3.Қабырғадан ауаға жылу беру.

Түтіндік газдардан жылу беру сәуле түсу және конвекция арқылы жүреді.жылу беру қарқындылығы жылу алмасу коэффициентімен сипатталатын болғандықтан, онда:

а_д = α^к_д+α^л_д; (5.5)

мұндағы, а_д — түтіндік газдардан рекуператоратор қабырғасына жылу алмасу коэффициенті, вт/(м²*град);

α^к_д — конвекция арқылы қабырғамен түтіндік газдардың жылу алмасу коэффициенті, вт/(м²*град);

α^л_д— қабырғаға түтіндік газдардың сәуле түсумен жылу алмасу коэффициенті, вт/ (м²* град). Қабырға арқылы жылу беру оның жылулық кедергісіне байланысты.

R= (5.6)

мұндағы: s — қабырға қалыңдығы, м;

λ — қабырға материалының жылу өткізгіштік коэффициенті, вт/ (м • град).

Қабырғадан ауаға жылу берілу ковекция арқылы ғана беріледі, яғни

α_в=α^к_в.

Жылу берілу коэффициенті келесі формуламен іске асырылады:

K= (5.7)

Температураның орташа логарифдік өзгерісі келесі формуламен анықталады:

; (5.8)

мұндағы — рекуператор басында түтіндік газдар мен ауа аралығының температуралық өзгерісі, град;

_K — рекуператор соңындағы түтіндік газдар мен ауа аралығының температуралық өзгерісі, град.

=t_d^н- t_в^к; (5.9)

=t_d^к- t_в^н, (5.10)

=t_d^н- t_в^н; (5.11)

=t_d^к- t_в^к;

мұндағы t_d^н — түтіндік газдардың бастапқы температурасы (рекуператордан шығу кезіндегі), °С;

t_d^к —түтіндік газдардың соңғы температура (рекуператордан шығу кезіндегі), °С;

t_в^н— ауаның бастапқы температурасы (рекуператордан шығу кезіндегі), °С;

t_в^к — ауаның соңғы температурасы (при выходе из рекупе­ратора), °С;

Ауаны қыздыруға қажетті жылу келесі формуламен анықталады:

Q_в = V_в (t^K_в — t^н_в)c_e квт, %; (5.12)

мұндағы V_в — рекуператорда қыздырылатын ауа көлемі, м³/сек;

c_в — t^K_в кдж/(м³*град) температурадағы ауаның жылу сыйымдылығы.

Ауа мөлшері пеште отынның жану есебімен анықталады.рекуператордан пешке дейінгі жолда ауаның жоғалуының есептік мәнін 10-15% жоғарлату қажет.

Рекуператор қабырғасының температурасы. Рекуператорға материалды дұрыс таңдау үшін және сол арқылы қондырғының дұрыс жұмысын қамтамасыз ету үшін қауіпті орындарда максимальді температураны анықтау қажет.

Рекуператордың аэроднамикалық есебі. Рекуператор пешіндегі қондырғы ауа жеткізуші жүйе сияқты, түтіндік газдарды жою жүйесі ретінде де аэродинамикалық сипаттамаларын өзгертеді. Желдеткішті дұрыс таңдау үшін немесе қажетті көрсеткіштермен ауаны пешке беру ауа үрлегіштен және түтіндік газдарды жоюға арналған түтін сорғыш қондырғы ауалық және газадық трактарбойынша рекуператорлық қондырғыда қысымның жойылуымен анықталады.

Трактың жалпы кедергісі:

h_nom=∑h_mp+∑h_м.с+h_геом, н/м²; (5.13)

мұндағы ∑h_mp — қажалу кедергісі есебінен қысымның суммарлы жоғалуы, н/м²;

∑h_м.с — жергілікті кедергі есебінен қысымның суммарлы жоғалуы, н/м²;

h_геом — геометриялық қысым, н/м².

Қысым жоғалуының есебі. Құбырлардың коридорлық және шахматтықты шоқтарының кедергі коэффициент мәні келесі формуламен өрнектелген:

ξ'=AB(Т С+D); (5.14)

мұндағы А — шоқтарда құбырлардың орналасуына байланысты болатын коэффициент, (А_кор = 1,0; А_шахм = 0,8÷0,9);

В — шоқтардың елеулі бос қимада орналасуын анықтайтын Рейнольдс критерия мәнімен анықталатын коэффициент;

С және D — құбырлар арақашықтығымен анықталатын коэффициенты;

Т — шоқтардағы ауа ағыны өтетін аймақтардыңқатар аралық саны;

S₁ және s₂ — құбырлар арақашықтығы.

Төменде гі 3.1 кестесінде құбырлардың коридорлық және шахматтық шоқтар үшін коэффициент мәні келтірілген.

5.1 - кесте. Құбырлардың коридорлық және шахматтық шоқтар үшін коэффициент В мәні

Re	Вкор	Вшахм	Re	Вкор	Вшахм
4*103	1,7	1,4	104	1,37	1,22
5*103	1,6	1,36	2*104	1,18	1,10
6*103	1,55	1,32	3*104	1,08	1,05
8*103	1,44	1,26	4*104 Және жоғары	1,0	1,0

5.2- кесте. С және D коэффициенттерінің мәні

	с	D		с	D
0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40	2,75 1,22 0,69 0,44 0,30 0,23 0,17	5,4 3,5 2,2	0,45 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00	0,14 0,11 С,08 0,06 0,04 0,03 0,03	1,6 1,0 0,44 0,18 0,06 0,01

Қыздырылатын колошник газының мөлшері 1000 нм³/сағ. газды қыздыру температурасы t_в´´=700º; қыздырылытын колошник газының бастапқы температура t_в´=20º. Рекуператорға түсетін түтіндік газдардың мөлшері, 1200 нм³/сағ. Рекуператорға дейінгі температура t_д´=1250º. Түтіндік газдарда 10% CO₂ и 12% H₂O.

Қарапайым шамоттық Стеклопроекттің конструкция элементтері бойынша жасалған құбыр тәріздес керамикалық рекуператор. Элементтердің сипаттамалары келесідей. Элемент биіктігі 0,35 м, ені 0,24 м, ұзындығы 0,24 м; бір элементке арна қималары: түтіндік – 0,0114 м², ауалық – 0,126 м; түтіндік аймақта элементтің қыздыру беттігі 0,168 м², ауа аймағында 0,224 м², орташа 0,196 м²; қабырға қалыңдығы 0,02 м.

Шешуі: түтіндік арналарда ауаны сору рекуператорға әкелінетін ауаның 30% және рекуператордың қыздырылу беттігіне бір келкі таралады деп аламыз.

Соған сәйкес, рекуператордан 1000 нм³/час ауаның шығуын қамтамасыз ету үшін рекуператор ауаны беруі қажет:

V´_в=100/0,7=1430 нм³/сағ, немесе нм³/сек.

Рекуператордан колошник газының шығуы:

V´´_в=1000 нм³/сағ, немесе нм³/сек.

Рекуператорға түтіндік газдардың енуі:

V´_д=1200 нм³/сағ, немесе нм³/сек.

Рекуператордан түтіндік газдар шығуы (ауаны сору 430 нм³/сағ.):

V´´_д=1200+430=1630 нм³/сағ, немесе нм³/сек.

Қыздырылатын колошник газының орташа жылу сыйымдылығы с_в=0,33 ккал/нм³*ºС.

Рекуператорда қыздырылатын колошник газының сағаттық жылуқұрамы:

q´´_в= с_в (t_в^´´ -t_в^´)= q´´_в= ккал/сағ.

Рекуператорға енетін түтіндік газдардың жылу сыйымдылығы:

с´_д=0,375 ккал/нм³*ºС.

Түтіндік газдардың сағаттық жылуқұрамы:

q´_д=V´_дс_дt´_д=1200*0,375*1250=563000 ккал/сағ.

Қоршаған ортада жоғалатын жылу 5% деп аламыз.

Рекуператордан шығатын түтіндік газдар жылу сыйымдылығын с´´_д=0,35 ккал/нм³*ºС аламыз.

Рекуператордан шығатын түтіндік газдар температурасы:

t´´_д= º.

Рекуператорда айқасқан қарсы ток сұлбасын қабылдаймыз:

ауа

t´_в=20º −−−−−−−−−→ t´´_в=700º;

түтіндік газдар

t´´_д=460º←−−−−−−−− t´_д=1250º.

орташат логарифмдік температура өзгерісі.

τ_н=1250-700=550º; τ_к=460-20=440º; τ_ср=492º.

Айқасқан токқа температуралық түзету көңіл аудармаймыз.рекуператордағы түтіндік газдардың шамамен 0,5 нм/сек және колошник газы 1,5 нм/сек шартты жылдамдығына қарай отырып, алдын ала есептеулердің негізінде келесі керамикалық рекуператор элементтерін қабылдаймыз: құбыр рекуператор бойынша ені 8 және ұзындығы 8 тең. Соған сәйкес, бір горизонтальды қатардағы құбырлар саны 8x8=64.

Колошник газының бір ағыны биіктігіне бір элементті аламыз. Түтіндік газдар өтетін ауданы:

f_д=0,0144*64=0,922 м².

Колошник газының өту ауданы:

f_в=0,0232*8=0,186 м².

Рекуператорға енетін түтіндік газдардың нақты нөльдік жылдамдығы:

ω´_д= нм/сек.

Рекуператордан шығатын түтіндік газдардың нақты нөльдік жылдамдығы:

ω´´_д= нм/сек.

Рекуператорға енетін колошник газдардың нақты нөльдік жылдамдығы:

ω´_в= нм/сек.

Рекуператордан шығатын колошник газының нақты нөльдік жылдамдығы:

ω´´_в= нм/сек.

Конвекция арқылы жылу беру коэффициентін анықтаймыз. Ауа арналарының гидравликалық диаметрі d=0,126м.

Колошник газының 20ºС-ғы нақты жылдамдығы (ену кезінде):

ω´_в(20)=2,14(1+ )=2,3 м/сек.

700ºС-ғы колошник газының нақты жылдамдығы (шығу кезінде):

ω´´_в(700)=1,5 м/сек.

Ауаның кинематикалық тұтқырлық коэффициенті; енген кездегі υ₂₀=15,4*10^{-6 м2} /сек; шығу кезіндегі υ₇₀₀=115,1*10^-6 м²/сек.

Ену кезіндегі ауа ағынының Рейнольдс саны:

Re= = ;

Шығу кезіндегі:

Re=

Түтіндік газдардың нақты жылдамдығы:

ену:

ω´_Д(1250)=0,362(1+ ) м/сек;

шығу:

ω´´_Д(460)= м/сек.

Түтіндік газдардың кинематикалық тұтқырлық коэффициенті: кіруге арналған υ₁₂₅₀=233*10^-6 м²/сек; шығуға арналған υ₄₆₀=69,93*10^-6м²/сек.

Түтіндік ағынның Рейнольдс саны:

кіруге арналған:

Re= =1040;

шығуға арналған:

Re= =2270;

Соған сәйкес ауа ағыны негізінен турбуленттік тәртіпте болады, ал түтіндік – ламинарлы тәртіпте.

Конвекция арқылы ауа жолымен жылу беруді анықтау үшін келесі формуланы пайдаланамыз.

Ауа енуіне арналған:

ω_в=2,3 м/сек;

γ_в= кг/нм³;

d=0,126 м.

Графиктен түзету коэффициентін табамыз А=2,46.

α=A ккал/м²*сағ*ºС.

Ауаның шығуына арналған:

ω_в=5,34 м/сек;

γ_в= кг/м³;

Түзету коэффициент А=3,32.

α=A ккал/м²*сағ*ºС.

Конвекция арқылы түтіндік жолмен жылу берілу коэффициентін анықтау үшін график мәліметі бойынша жүргіземіз.

Түтіндік жолда 8 қатар құбырды аламыз:

L=0,35*8=2,8 м;

d=0,12м.

Пекле критериі:

Pe= ; (5.15)

мұндағы: а= .

Рекуператорға түтіндік газдардың енуі: t=1250º; ω_Д(1250)=2,02 м/сек; біздің білуімізше, с=0,375 ккал/м²*сағ*ºС. λ=11,23*10^-2 ккал/м²*сағ*ºС.

С_р= ккал/кг*ºС;

γ₁₂₅₀= кг/м³;

а= м³/сағ.

Пекле критериі:

Ре= .

Келтірілуі:

.

График бойынша:

Nu=

ккал/м³*сағ*ºС.

Рекуператордан түтіндік газдардың шығуы: t=460º; ω_Д(460)=1,32 м/сек, с_Д=0; 35 ккал/нм³*ºС.

С_р= ºС.

Сәйкесінше, λ=5,34*10^-2 ккал/м*час*ºС.

Γ_Д460= .

а= м³/час.

Пекле критериі:

Келтірілуі:

График бойынша:

Nu= ;

Түтіндік газдардың сәлеленумен жылу берілуін анықтаймыз.

Түтіндік газдардың енуі. Газ құрамы 10% СО₂; 12% Н₂О.

Температура t=1250º. S_эф=0,9 d=0,9*0,12=0,108 м.

Сәулеленген газдық қабаттың эффективті қалыңдығының парциялдық қысымның туындысы:

Көмір қышқылдырына:

P_со2S_эф.=0,10*0,108=0,0108 аm*м;

Су буларына:

P_со2S_эф.=0,12*0,108=0,0130 аm*м;

Бұл мәндер бойынша табамыз (t_Д=1250º):

ε_со2=0,037 және ε΄_н2о=0,017.

Түзету коэффициенті β_н2о=1,09.

ε_со2=ε΄_н2оββ=0,017*1,09=0,0185.

Қабырға температурасын 1050º деп алып, М≈500 табамыз.

α =(ε_со2+ ε_со2)М=(0,037+0,0185)500=27,8 ккал/м²*сағ*ºС.

Түтіндік газдардың шығуы. Түтіндік газ қозғалысы жолында 430 нм³/сағ ауа сорылады.

Рекуператордан шығар кездегі түтіндік газдар құрамы:

СО₂= ;

Н₂О= %.

t_Д=460º; S_эф=0,108 м.

Көмір қышқылдырына:

P_со2S_эф.=0,0735*0,108=0,008 аm*м;

Су буларына:

P_н2оS_эф.=0,0883*0,108=0,0096 аm*м.

Бұл мәндер бойынша t_Д=460º үшін табамыз: ε_со2=0,044 и ε΄_н2о=0,038; βн₂о=1,07

ε_н2о=0,038*1,07=0,0407.

Түзету коэффициенті М=50.

Сәуле арқылы жылу беру коэффициенті:

(0,044+0,0407)50=4,25 ккал/м²*сағ*ºС.

Рекуператор қабырғасына түтіндік газдардың жоғарыдан жылу берілу коэффициенті (түтіндік газдардың енуі кезінде):

ккал/м²*сағ*ºС.

Төменнен (түтіндік газдардың шығуы кезінде):

ккал/м²*сағ*ºС.

Қабырғаның орташа температурасын аламыз (оның қалыңдығы бойынша):

Жоғарыда 1000ºС, төменде 200ºС.

Шамоттың жылу өткізгіштігін табамыз:

Λ_кіріс=0,6+0,00055t=0,6+0,00055*1000=1,15 ккал/м*сағ*ºС,

Λ_шығыс=0,6+0,00055*200=0,71 ккал/м*сағ*ºС.

Рекуператор элементінің қабырға қалыңдығы δ=0,02 м.

Жалпы жылу беру коэффициеті:

Рекуператор үстінде

Κ_в= ккал/м²*сағ*ºС.

Рекуператора астында

Κ_в= ккал/м²*сағ*ºС.

Рекуператордағы орташа жылу беру коэффициенті:

К= ккал/м²*сағ*ºС.

Рекуператордың қажетті қыздырылу беттігін келесі формуламен анықтаймыз:

F=

Құбырдың бір елементінің қыздырылу беттігі –0,196 м тең.

Рекуператорға келесідей құбыр орналастыру қажет:

құбыр.

Яғни, рекуператор биіктігі бойынша қатар құбырдан тұруы қажет.

Рекуператордың үлгі габариттарын анықтаймыз. Жобадағы өлшемдер: ұзындығы=ені=0,24*8=1,92м≈2,0м; рекуператор биіктігі 0,35*10=3,5 м.

Рекуператор құбыры қабырғаларының термиялық тұрақтылығын келесі формуламен тексереміз:

Рекуператора үсті:

К(t_Д-t_в)δ=6,06(1250-700)2=6660<8200.

Рекуператора асты:

3,46(460-20)2=3040<8200.

Соған сәйкес құбыр элементтерінің қабырғаларындағы температура құламалары жіберілген шектік жағдайда болады.

5.3. Керамикалық рекуператордың қолданылу салалары

Кеңес Одағы кезіндегідей құбыр тәріздес керамикалық рекуператорды (Амслер — Мортона) металлургиялық пештер, стекловаренных былаулық пештерде және басқадай бір қатар жағдайларда Чехославакияда пайдаланылады.әйнек жасайтын бір зауытта (Моравадағы Киёвте) құбыр тәріздес керамикалық рекуператорды (Амслер—Мортона) пайдалану кезінде алынған нәтижелер төменде келтірілген 1-кестеде келтірілген.

Басқадай кәсіпорындарда, мысалға Виткозицдағы Клемента Готвальда атымен аталған зауытта қарапайым өндірістік жағдайда төмен нәтиже алынған. Керамикалық рекуператордың ең негізгі кемшілігі түтіндік газдар аймағында жоғары мөлшерде ауа сорылуын тудыратын олардың аз газтығыздығы. Бұл жағдаймен күресудің бір жолы рекуператор ауа аймағында қысым құлауын азайту.

Мысалға, шехослвакиялық кәсіпорында Амстлер—Мортон құбыры тәріздес рекуператорына ауа жолында қысым өзгешелігін азайтуға әкелетін бір қатар өзгертулер енгізілген, сәйкесінше, ауа жоғалуының төмендеуінен рекуператор өнімділігі елеулі жоғарлайды.

Чехословакияда керамикалық рекуператор түрлерінен ең көп тарғаны жәшік болып табылады. Олар, сыртқы жағы 150мм-ден, ұзындығы 200мм аспайтын қуыс шамоттық тік бұрышты қима элементтерінен жиналады. Элементтер жәшік формалы болғандықтан, сондықтан одан жиналған рекуператор жәшік деп аталады. Жәшіктің конструкциясы және оның құрастырылуы 1- суретте көрсетілген. Жәшіктер қарапайым құлыпты құрылғылар көмегімен қосылған және арна құрып бірінің артына бірі орнатылады. Бұл рекуператорларға әрқашан айқасқан тоқ пайдаланылады, және де бір арналар жүйесінен тік немесе горизонтальдық бағытта түтіндік газдар жүреді, ал басқа арналар жүйесінен түтіндік газдар тоғына,перпендикулярлы бағытталған ауа немесе газ жүреді.

Басқадай керамикалық рекуператорлардан жәшік рекуператоры, яғни Амслер—Мортон, Германсен немесе Чапман — Штейн рекуператорлары түтіндік газдар ағыны және қыздырылатын ауа ағыны немесе сәйкес келетін элементтің бір қабырғасымен емес, рекуператор салынған т жәшіктің екі қабырғасымен бөлінген газымен ерекшелінеді. Жәшік рекуператорларында жылу беру күрделі кемшілік болып табылады, өйткені дәл тотықсыздандыруға және ерекшеленген жәшіктерді кептіруде және күйдіруде олардың қабырғасы ешуақытта соншалықты дәл болуы мүмкін емес, оларды бір-біріне салуда әбден тығыз жатқызылу қамтамасыздандырылған.

5.1-сурет. Жәшік керамикалық рекуператоры (бағдармен ауа немесе газдың қозғалысы көрсетілген).

Түтінді газдар өтетін ауа жүретін жәшік элементтері аралығында жақсы қалау кезінде де жылу берілуге кері әсер ететін және шамоттық масса тігістерімен толтырылған ауа саңылаулары түзіледі. Бұл жәшік рекуператорларының аз жылу беру эффективтілігінің және олардың салыстырмалы жоғары өлшемдерінің себебі болып табылады. өйткені жәшік қабырғалары 15-18мм-ден жұқа болуы мүмкін емес, жәшік рекуператорының қыздыру беттігі рекуператордан шамамен екі есе қалың. Осыған қарамастан жәшік рекуператорлары кең көлемде қолданысқа ие, әсіресе кейбір қыздыру пештерінде, өйткені оларды басқадай рекуператорлармен ауыстыру өте күрделі жағдай. Бұл жәшік рекуператорларының қарапайымдылығымен, пайдаланылу сенімділігімен түсіндіріледі. Жақсы орнатылған және жақсы монтаждалған кезінде, сонымен қатар рекуператорларды дұрыс пайдалану кезінде де көп жылдар бойы үлкен жөндеу жұмыстары мен күрделі қызмет көрсетулерді қажет етпейтіндей олар жеткілікті газтығыздығымен сыйпатталады.

6.Техникалық термодинамика

Термодинамика бастапқы түрінде жылу қозғалтқышы теориясының негіздері туралы оқу ретінде қалыптасады.

Термодинамиканың құрылуы көптеген ғылымдардың еңбектері мен зерттеулеріне міндетті. Ең алдымен жылылық пен жылу құбылыстары мәнінің дұрыс, материалистік дәлелдеуін берген және 1746 жылдың өзінде-ақ энергияның сақталу заңдарының негіздерін анықтаған М.В.Ломоносовты айту керек. Термодинамиканың ерекше, өзіндік ғылым ретінде пайда болған уақытын 1824 жыл деп француз инженері Сади Карноның “Оттың қозғаушы күші және машиналар туралы ойланулар, осы күшті дамыту қабілеттілігі” атты жазбалары жариялған кезден есептеу керек. Көлемі бойынша үлкен емес бұл зерттеуде термодинамиканың бірқатар тамаша тұжырымдары бар. Жылу қозғалтқышы теориясының негіздерін әзірлеу кезінде термодинамика үшін терең мағынасы бар.

Термодинамиканың пайда болу және оның әдістерінің қалыптасу кезеңі физикалық білім жүйесінде бұл ғылымның орнын жылылық пен жұмыстың өзара түрлену заңдары туралы оқу ретінде анықтады. Бұл оның атауында да бейнеленді: “thereme”- грек тілінен аударғанда жылылық, ыстық деген сөзді, “duncunikos”- күшке қатысты, күштік дегенді білдіреді.

Алайда әрі қарай даму барысында термодинамика осы бастапқы шектерінен алысқа шықты.

Қазіргі уақытта термодинамика әдістері химиялық және фазалық айналулар, гальваникалық элемент жұмысы, магнитті термиялық әсер, сәулелену үрдістері сияқты, өзінің физикалық табиғаты бойынша мүлдем ұқсас емес құбылыстарды меңгеруде үлкен табыспен пайдаланады.

Қазіргі термодинамика пәні табиғат денелерінің өзара әрекеттесуі кезінде оның қозғалысының әр түрлі пішіндерінің түрлену үрдістерінде ашылатын, материяның кейбір жалпы қасиеттерін меңгеру болып табылады. Басқаша айтқанда, термодинамика материя қозғалысының әр түрлі пішіндерін өзара түрлендіру үрдістерін сипаттайтын, сандық байланыстарды меңгереді.

Мысал ретінде ірі электр станцияларындағы жылу энергиясының электр энергиясына түрлену сызбасын қарастырайық (1.1- сурет).

Бу қазанының оттығында отын жағылады, оның химиялық энергиясы бұл кезде жылу өнімдерінің жылу энергиясына ауысады. Олардың ішінде су жылжитын, бу қазаны құбырларының тармақтанған жүйесін шая отырып, жылуды суға бере отырып, ыстық газдар салқындайды. Су жылынады және буға айналады. Алынған бу қысым арқылы бу турбинасына бағытталады, онда кеңею кезінде оның жылу энергиясы турбина білігінің айналуының механикалық энергиясына қайта түрленеді. Турбинадан шығып, бу олардың ішінде суық су жылжитын, құбырлар өткізілген даңғыраны білдіретін, конденсаторға түседі. Құбырлардың арасымен аға отырып, бу салқындайды және суға айналады (қоюланады).

Оның көлемінің күрт азаюымен қабыттас болатын, будың салқындауы мен қоюлануы есебінен, конденсаторда терең вакуум сақталады. Сонымен, бу турбина- конденсатор жүйесі арқылы өте отырып, конденсаторда бастапқы қысымнан ең аз қысымға дейін кеңейеді. Су конденсатордан сораппен бу ќазанына беріледі, б±дан кейін сипатталѓан ж±мыс циклін ќайта жасайды.

Сурет

Турбинамен бір білікте тағы бір машина - электр генераторы орналасады, онда білік айналуыныњ механикалыќ энергиясы электр энергиясына түрленеді.

Бұл сызбада энергиянын бір түрден екіншіге үш мәрте өзгеруі болады: отыннын химиялық энергиясы - жылуға, жылу энергиясы- механикалық энергияға, механикалық энергиясы - электр энергиясына.

Алайда отынға тиісті энергияның барлығы бірдей электр энергиясын өндіру үшін пайдаланылмайды. Бастапқы энергияның маңызды бөлігі конденсаторда айналдыратын суға беріліп, онымен бірге сыртқа кетеді. Бұдан басқа, жылудың бір бөлігі қоршаған кеңістікте шашырап тарайды және кетіп бара жатқан түтін газдарымен бірге жоғалады.

Пайдалы әсер коэффициенті (ПӘК) деп аталатын өндірілген энергия мөлшерімен жұмсалған мөлшерінін қатынасы. Казіргі ірі электр станциялары үшін ПӘК 35-40% дейін, ал ұсақ қондырғылар үшін одан да аз мөлшерге жетеді.

Сондықтан техникалық термодинамиканың негізгі міндеті жылудың жұмысқа аса тиімді айналу үрдістерін зерттеу және осы айналуларға қатысатын жұмыс денелерінің қасиеттерін меңгеру болып табылады.

6.1 Жұмыс денесі. Оның күйінің негізгі шамашарттары

Жоғарыда келтірілген мысалдан жылу және механикалық энергияның өзара өзгеруі жылылықпен қатынасқан кезде немесе оған күштік әсер ету кезінде өзінің физикалық күйін өзгертетін, жұмыс денесінің көмегімен жүргізілетіні көрініп тұр.

Заттың газға айналған күйіндегі қасиеттерін молекулалар арасындағы тіркелу күштерін және молекулаларының өздерінің көлемін есепке алумен бірге теориялық меңгеру өте қиындатылған. Осындай газдардың тәртібін сипаттайтын, ғылыми тәжірибе негізінде табылған математикалық тәуелділіктердің күрделі сипаты бар.

Сондықтан термодинамикалық үрдістерді меңгеруді ықшамдау және аса қарапайым есептер формулаларын алу үшін идеалды газ туралы түсінік енгізіледі. Идеал газдың астарында балыққан қозғалыс күйінде болатын және өзара әрекеттесу күштерінен айырылған, жойылуға жеткен аз көлемдері бар

молекулалардың – материалдық нүктелердің жиынтығын түсінеді.

Табиғатта мұндай газдар жоқ. Алайда техникада көптеген газдар молекулалар арасындағы тіркелу күштеріне және молекулалардың өздерінің көлемдеріне көңіл қоймауға болатын кездегі күйлерде қолданылады.

Сол бір газ үшін тіркелу күштерінің азаюы температураның жоғарылауымен және қысымның азаюымен бірге жүргізіледі: екеуі де газ көлемінің ұлғаюын тудырады, мұнымен молекулалар арасындағы ара қашықтықтың ұлғаюына байланысты, ал соңғысы тіркелу күштерінің азаюын да тудырады.

Бұдан берілген газдың температурасы неғұрлым жоғары және оның қысымы неғұрлым төмен болса, онда оның идеал газға соғырлым жақын екені шығады. Сұйықтық күйіне жеткілікті түрде жақын күйлерде болатын, жұмыс денесі ретінде пайдаланатын су буы бұл ережеге жатпайды, және сондықтан оған реалды газдар мен идеал газдың тәуелділіктерін қолдануға болмайды. Барлық реалды газдар сұйықтардың булары болып табылады. Бұл кезде газ сұйыққа ауысуы неғұрлым жақын болса соғұрлым оның қасиеттері идеал газдың қасиеттеріне көп ауытқиды.

Газдың физикалық күйін сипаттайтын шамалар күйдің термодинамикалық шамашарттары деп аталады.

Газдың негізгі шамашарттар жиынтығына дененің термодинамикалық күйін анықтайтын меншікті көлем, абсолюттік қысым мен абсолюттік температура кіреді. Сондықтан өлшеу бірліктерінің халықаралық біркелкілігін тағайындау үшін жылы бірліктердің халықаралық жүйесі ӨЖ енгізілген (Cu жүйесі).

Қысым: Газ қысымы газ толтырылған ыдыстың қабырғаларына молекулалардың соғылу аралығының нәтижесі болады. Ол молекулалар соққыларын қабылдайтын, беттік аймағы бірлігіне келетін күшпен өлшенеді:

, (6.1)

мұнда F- қысымның күші, S- беттік аймағы.

Бірліктердің техникалық жүйесінде күш кг қабылданады, онда қысымның өлшеу бірлігінің өлшемдігі Паскаль болады.

және 1бар

ӨЖ жүйесіндегі және техникалық жүйедегі қысымның арасындағы байланыс келесі:

1бар =1атм

Қысымның бірлігі ретінде сондай-ақ су бағанасының метрі және сынап бағанасының миллиметрі қолданылады

кезіндегі 735,56 сын.б.мм.=4ºC кезіндегі 10 су б.м.

Техникалық атмосферадан басқа физикалық атмосфера қолданылады

Техникада абсолюттік қысымды, артықшылық қысымды және сиретілген қысымды ажыратады.

Егер газдын абсолюттік қысымы қоршаған ортаның барометрлік қысымынан жоғары болса, онда олардың арасындағы айырмашылық артық -шылық қысым деп аталады, басқаша айтқанда

(6.2)

Егер де газдың абсолюттік қысымы барометрлік қысымынан аз болса, онда олардың арасындағы айырмашылық вакуумметрлік қысымды немесе басқаша айтқанда тоғынан айыруды білдіреді:

(6.3)

Атмосфералық қысымнан жоғары газ қысымдарын өлшеуге арналған аспаптар манометрлер деп аталады. Олар артықшылық қысымды көрсетеді. Атмосфералық қысымнан төмен қысымды өлшеу үшін (газ қысымының атмосфералық қысымнан қаншалықты төмен екенін көрсететін) вакуумметрлер қолданылады. Осы және басқа жағдайларда бастапқы нүктеге атмосфералық қысым қабылданады.

Артық қысымның және тоғынан айырудың шамаларын өлшеу кезінде қосалқы болып табылады және ыдыстағы газдың күйін сипаттамайды, өйткені газдың бір және сол күйі үшін ауа райының өзгеруі кезінде өзгеше бола алатын атмосфералық қысымның шамасына байланысты. Бұл шамалар әр түрлі мәндерді қабылдай алады.

Газ күйінің шамашартын ауа райы жағдайларының кез келген өзгерістері кезінде өзгеріссіз болып қалатын, тек қана абсолютті