Оборудование термических цехов

План 

1. Законы  движения газов (ламинарное и турбулентное)……………….1

2.      Обезуглероживание металла…………………………………………….5

3.      Тигельные электрические печи ‒ ванны. Устройство, назначение…...8

4. Вычислить расход воздуха и количество продуктов

          горения природного газа, имеющего следующий состав, %:

          95,85 CH₄; 2,0 C₂H₆; 1,03 C₃H₈; 0,41 C₄H₁₀; 0,18 CO₂; 0,53 N₂.

         Содержание влаги в сухом газе q^r = 15,55 к/м³.

         Рассчитать теоретическую температуру горения при условии,

        что температура подогрева воздуха равна 300 ^оС. Газ сжигается

        с коэффициентом расхода воздуха α_в = 1,1…………………………...10

Литература……………………………………………………………………..12 
 

1. Законы  движения газов (ламинарное и турбулентное)

       Все вещества (твердые, жидкие, газообразные) состоят из молекул. Молекула - это частица, обладающая свойствами вещества.

       Установлено, что при температуре нуль градусов и атмосферном давлении 760 мм рт. ст. в каждом 1 см³ содержится 2,7-10¹⁹ молекул, а линейный размер молекулы составляет (имеет порядок) 1*10^-8 мм.

       Состояние вещества (твердое, жидкое, газообразное) характеризуется расстоянием между  молекулами. Все молекулы имеют свойство взаимного притяжения и отталкивания, зависящее от расстояния между ними.

       У твердых тел расстояния между  молекулами очень малы и силы взаимного притяжения молекул велики. Молекулы совершают незначительные колебательные движения. У жидких веществ расстояния между молекулами больше, они движутся в разных направлениях. Но силы притяжения еще достаточно велики и молекулы не отрываются друг от друга.

       У газообразных веществ расстояния между  молекулами значительно больше самих  молекул, взаимное притяжение очень мало, молекулы двигаются в различных направлениях и с различной скоростью. При движении молекулы испытывают около нескольких миллиардов столкновений в секунду, меняя при этом направление и скорость.

       Каждая  молекула при поступательном движении обладает кинетической энергией

где Е_кин- кинетическая энергия молекулы, Дж; m - масса молекулы, кг; 
V - скорость движения молекулы, м/с.

       Если  в уравнение Клаузиуса (1.1) (основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов) подставить значения уравнения  Бойля-Мариотта - Гей-Люссака (1.2)

                                                                                                          (1.2)                                                                                                                         

то получим:                                                                                                                               (1.3)

где Е_кин – кинетическая энергия , Дж; R =8,31441 Дж/(моль×К) - газовая постоянная, Дж/кг К; Т - температура, К; v - удельный объем воздуха, м³кг.

       Разделив  R на N_o (число Авогадро, показывающее число молекул в грамм-молекуле газа и равное 6,02Х10²³ 1/моль, получим отношение, которое называется постоянной Больцмана k = 1,38065×10^-23 Дж/К.

       Подставим k в уравнение (1.3), получим уравнение кинетической энергии одной молекулы газа.

         Согласно молекулярно-кинетической теории воздух рассматривается как совокупность большого количества молекул. Частица воздуха - это огромное скопление молекул, которые находятся в хаотическом движении независимо от того, находится ли частица в движении или в покое. Средняя скорость молекул, составляющих частицу, отличается от средней скорости хаотического движения на величину скорости движения частицы в данной среде и в данном направлении.

         Установившимся газовым потоком называется такое течение газа, при котором скорость потока в любой точке, а также основные параметры (давление, температура и плотность) не изменяются с течением времени. То есть, если через определенные промежутки времени мы в одной и той же точке будем измерять скорость и другие параметры газа и при всех измерениях величины параметров одинаковы, то этот газовый поток установившийся. Если же измеряемые величины меняются, то поток - неустановившийся

       Элементарная  струйка - это мысленно выделенный поток (небольшой замкнутый контур в виде трубки), через боковую поверхность которого газ протекать не может ни вовнутрь, ни наружу.

Ламинарный  - это газовый поток, в котором струйки газа движутся в одном направлении и параллельны друг другу. Ламинарное течение наблюдается при медленном обтекании газом тел малых размеров. В частности, ламинарное течение имеют место в узких (капиллярных) трубках, в тонком пограничном слое, образующемся вблизи поверхности тел при обтекании их  газом, и др. При увеличении скорости до определенной величины струйки газового потока кроме поступательной скорости также приобретают быстро меняющиеся скорости, перпендикулярные к направлению поступательного движения. Образуется поток, который называется турбулентным, т. е. беспорядочным. При этом существенно изменяются все его свойства, в частности структура потока, профиль скоростей, закон сопротивления. 

2. Обезуглероживание металла

       Описание. Обеднение стали углеродом, начинающееся с поверхности. Как правило, наружный слой стали почти полностью обезуглерожен. К этому слою примыкает область с пониженным содержанием углерода. При почти

полном  отсутствии углерода  говорят о полном обезуглероживании, при уменьшенном содержании этого элемента — о   частичном    обезуглероживании.

       Обезуглероживание у края поперечного сечения  образца после его

разрушения (на поперечном темплете — шлифе) обнаруживается с помощью     локального химического анализа и анализа микроструктуры (рис.1). Структура полностью обезуглероженной зоны представляет собой чистый феррит. Структура переходного слоя характеризуется постепенно уменьшающейся к   сердцевине долей феррита.

       Причины возникновения. Взаимодействие углерода, содержащегося в стали, главным образом с кислородом, а также с водородом окружающей среды, причем реакционная способность  в системе металл — газ, так же как и диффузия кислорода и водорода, увеличиваются с ростом температуры.

Поскольку диффузионный перенос контролируется, кроме того, временем, то и обезуглероживание увеличивается с ростом продолжительности нагрева.  

               а                                          б                                         в  

Рис 1. Поверхностное обезуглероживание: а – горячекатаного прямоугольного прутка; б – подшипниковой стали (×100); в – горячекатаной стальной полосы 

Основными причинами являются:

       а)   обезуглероживающая   атмосфера при нагревах стали до температур горячей деформации и при отжиге  (в печах без защитной или нейтральной атмосферы);

       б) попадание в печь обезуглероживающей атмосферы при отжиге в печах с защитным газом  (например, при  светлом отжиге холоднодеформированных изделий);

       в)  недостаточное       удаление     окалины    с     поверхности      термически обрабатываемых изделий, в частности при отжиге в печах с защитным газом;

       г) обезуглероженная поверхность у исходных заготовок.

Меры  попредупреждению появления обезуглероженного слоя:  

       а) создание надлежащей атмосферы, определяющей незначительное обезуглероживание,  при нагревах исходных заготовок до температур горячей деформацииили отжига;

       б) применение ускоренного нагрева;

       в) применение нагрева под деформацию или отжиг  в защитной атмосфере с соответствующим регулированием ее состава;

       д) герметичность нагревательных устройств, предотвращающая подсос воздуха при отжиге в защитной атмосфере.;

       е) использование очищенных от окалины полуфабрикатов при их отжиге в печах с защитной атмосферой.

       ж) в специальных случаях возможно применение науглероживающей атмосферы.

       З) использование исходных заготовок с необезуглероженной поверхностью.

Устранение. В зависимости от типа изделий возможны огневая зачистка, шлифовка, обточка. В редких случаях применяют науглероживающий отжиг.

Примечание. Обезуглероживание  поверхностной   зоны уменьшает   ее

прочность, твёрдость  и соответственно сопротивлению деформации и изнашиванию.   Поэтому   обезуглероживание      поверхности    особенно

нежелательно  для инструментальных, подшипниковых и износостойких сталей.

       К обезуглероживанию поверхности склонны практически все стали, содержащие >0,2% С. С повышением содержания в стали углерода обезуглероживание усиливается. Весьма способствует обезуглероживанию алюминий. Хром тоже помогает обезуглероживанию. Марганец задерживает обезуглероживание. Кремний, никель, вольфрам на обезуглероживание не влияют. Необезуглероженную поверхность можно получить только при нагревах в соответствующих защитных атмосферах или при удалении обезуглероженных поверхностных слоев. Однако по экономическим и техническим соображениям это  возможно только для ограниченного круга специальных изделий (например, сталей, к которым предъявляются требования повышенной отделки поверхности, тянутой стальной проволоки, горячекатаного стального прутка, предназначенного для волочения).

       Поэтому обезуглероживание поверхности рассматривается как дефект только в том случае, если оно превышает допустимую величину.

       Электротехнические  стали (трансформаторная, динамная) для уменьшения ваттных потерь специально для обезуглероживания отжигают в большинстве случаев в атмосфере водорода. 

3. Тигельные электрические печи - ванны. Устройство, назначение

       Тигельные электрические печи - ванны для нагрева деталей под закалку оснащены элементами нагрева в виде проволоки или ленты из высокоомного сплава. К ним относятся электрические ванны - печи типа              СВГ ‒ 10⁄8,5,  СВГ ‒ 20⁄8,5, СВГ ‒ 30⁄8,5. В обозначениях ванн первая цифра показывает мощность печи - ванны в кг⁄ч, а знаменатель – температуру в сотнях ^оС. Конструкция печи - ванны СВГ ‒ 20⁄8,5 показана на рис. 2. Рабочая камера 2 печи - ванны выложена из шамотного кирпича. Пространство между рабочей камерой и каркасом заполняется теплоизоляционным порошком с диатамитовым кирпичом. Тигель 1 висит на чугунной плите 3. Сверху тигель закрывается раздвижной крышкой 4, в которой имеются два отверстия: Одно для контрольной указывающей термопары 6, а другое 5 – для подвешивания приспособления с деталями. Вторая регулировочная термопара помещается в рабочем пространстве ванны у нагревателей. Эта термопара связана с автоматическими регулирующими тепловыми  приборами. У ванны внизу под тиглем имеется сток для расплавленных солей в случае прогара тигля. 

       Рис. 2. Электрическая  печь – ванна СВГ ‒ 20⁄8,5 
 
 

       4. Вычислить расход  воздуха и количество  продуктов горения  природного газа, имеющего следующий  состав, %: 95,85 CH₄; 2,0 C₂H₆; 1,03 C₃H₈; 0,41 C₄H₁₀; 0,18 CO₂; 0,53 N₂. Содержание влаги в сухом газе q^r = 15,55 к/м³. Рассчитать теоретическую температуру горения при условии, что температура подогрева воздуха равна 300 ^оС. Газ сжигается с коэффициентом расхода воздуха α_в = 1,1. 

       По  известному содержанию Н₂О в газе вычисляем состав влажного газа. Содержание какого – либо газа в смеси Х_вл = Х_сух⁄(100 + 0,1242×q^r). Тогда

         СН₄ = 100×95,85⁄(100 + 0,1242×15,55) = 94,03%.

       После пересчёта по формуле состав влажного газа будет таким, %:

       94,03 CH₄, 1,96 C₂H₆; 1,01 C₃H₈; 0,4 C₄H₁₀; 0,18 CO₂; 0,52 N₂, 1,9 H₂O.

       Расход  кислорода на горение:

       V_O2 = 0,01×(m+n⁄4)×

       Теоретический расход воздуха:

       L_m = (I+k)×V_O2 = 4,76×2,062 = 10,62  м³⁄м³.

       Объём отдельных составляющих продуктов  горения (м³⁄м³):

V_CO2= 0,01×(CO₂+m×ΣC_mH_n) = 0,01× (CO₂+CH₄+2×C₂H₆+3×C₃H₈+4× ×C₄H₁₀) = 0,01×(0,18+94,03+2×1,96+3×1,01+4×0,4) = 1,028.

V_H2O=0,01×(H₂O+0,5×ΣC_mH_n)=0,01×(1,9+2×94,03+3×1,96+4×1,01+ +5×0,4) = 2,019;

V_N2 = 0,01×N₂+α_в×k×V_O2 = 0,01 + 1,1×3,76×2,026 = 8,385.

V_O2 = (α_в-1)× V_O2 = 0,1×2,026 = 0,203.

Общее количество продуктов горения:

V_д = V_CO2+V_H2O+V_O2+V_N2=1,028+2,019+0,203+8,385 = 11,635 м³⁄м³.

Состав  продуктов горения:

СО₂ = V_CO2×100⁄V_д+ 1,028×100⁄11,635=8,83%;

Н₂О = 2,019×100⁄11,635 = 17,32%;

N₂ = 8,385×100⁄11,635 = 72,15%;

О₂ = 1,75%.

Плотность продуктов горения:

Ρ_о = 0.01×(44×СО₂+28×N₂+18× Н₂О+32× О₂)⁄22,4 =0,01× (44×8,83+

+28×72,15+18×17,32+32×1,75)⁄22,4 = 1,23 кг⁄м³.

Теплота сгорания газа:

       Q_н = 358×СН₄+636×C₂H₆+913×C₃H₈+1185×C₄H₁₀ = 358×94,03+

       +636×1,96+913×1,01+1185×0,4 = 40305 кДж⁄м³.

       Химическая  энтальпия продуктов горения

       i = Q^P ⁄ V_д = 40305⁄11,635 = 3464 кДж⁄м³.

       При 300 ^оС средняя теплоёмкость воздуха равна 1,32 кДж⁄(м³×^оС). Тогда

       i_в = 1,32×300 = 396 кДж⁄м³.

       Энтальпия продуктов горения:

       i = i_г+i_в×L_m V_д = 3464+396×10,62 11,635 = 4697 кДж⁄м³. 

Литература 

1. Рустем  О.Л. Оборудование и проектирование термических цехов. М.: ГНТИ, 1962. – 588 с.
2. Соколов К. Н. Оборудование термических цехов. – М.: Высшая школа, 1984. – 324 с.
3. Методические указания к практическим занятиям по дисциплине « Оборудование термической обработки» для студентов направления « Инженерное материаловедение» (Занятия 1 – 7). Тема: Расчёт горения топлива. Теплопередача в печах. Расчёт продолжительности нагрева металла. Составление теплового баланса» ⁄  Сост.: Л. А. Рябичева, В. М. Дубасов. Луганск: Изд‒во ВНУ им. В. Даля, 2004 ‒ 62 с.
4. Шубин Р. П., Приходько В. С. Технология и оборудование термического цеха. – М.: Машиностроение,1971. – 280с.