Металлургиялыќ жылутехникасы
жүктеу/скачать 0,63 Mb.
|
| Д.СЕРІКБАЕВ атындағы ШЫҒЫС-ҚАЗАҚСТАН МЕМЛЕКЕТТІК ТЕХНИКАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ Ж.С. Оналбаева металлургиялық процестердің жылу энергетикасы 5В070900 – Металлургия мамандығының студенттеріне арналған дәрістер жинағы Өскемен
Кіріспе
Металлургиялық жылутехника - бұл металлургиялық агрегаттарда процестердің жүруін қамтамасыз ететін жылуды алу және қайтару сұрақтарын оқытатын техникалық білім саласы.
Сұйық және газдардың механикасы Металлургиялық тәжірибеде сұйық және газдар механикасы маңызды орын алады. Газдардың пештердің жұмысшы камерасындағы қозғалысы және онда қысым таралуы, суыту жүйелерімен жану өнімдерінің эвакуация жүйелерінің жұмысы, сұйық және газдардың құбырларда қозғалуы және сұйық металдың оны тасымалдауда және құюдағы қозғалысы, конвективті жылу және массаалмасу процестері- барлық бұл металлургиядағы маңызды құбылыстар мен процестерді тек қана сұйықтардың және газдардың механикасы әдістерімен есептеп оқуға болады. Ортаның маңызды физикалық қасиеттерінің бірі- тығыздық. ρ , кг/м3, яғни бірлік көлемде болатын зат массасы. Егер ағу ортасының тығыздығы тұрақты болса, мұндай орта сығылмайтын сұйық деп аталады. Егер керісінше болғанда, яғни тығыздық айнымалы щама болғанда ағу ортасы сығылатын сұйық деп аталады. Сұйық және газдың механикасында негізгі түсініктерге идеал және реал сұйықтар жатады. Идеал немесе тұтқырсыз сұйық деп қозғалыста ішкі үйкеліс күштері болмайтын сұйықты атайды, мұндай сұйықтықтың тұтқырлығы нөлге тең. Керісінше болғанда сұйық реал сұйық болады. Лекция №2 Қысым және арындар Қысым дегеніміз бірлік ауданға әсер ететін күш болып келеді. Қысымды абсолюттік және артық мөлшердегі болып айыруға болады. Артық мөлшердегі қысым қандай болмасын ыдыстағы және қоршаған атмосферадағы қысымдар айырмасын көрсетеді. Егер ыдыстағы қысым атмосфералықтан аз болатын жағдайда оны сиретілу деп атайды. Металлургиялық жылутехникада артық мөлшердегі қысымды арын деп атайды. Сұйық және газдарда болатын негізгі 4 түрлі арын белгілі: 1. Геометриялық 2. Пьезометриялық 3. Динамикалық 4. Жойылу Егер біз сұйық толтырылған ыдысты алып қарастыратын болсақ: 1-нүктеде геометриялық арын көрсетілген. Бұл арын сұйықтың жоғарыдан төменге ағуын және бұл нүктедегі сұйықтың потенциялық энергиясын көрсетеді. Сұйықтық деңгейі биік болған сайын hг мөлшері де жоғары болады. 2-нүктеде сұйықтың пьезометриялық немесе статикалық арыны көрсетілген. hп – ол сұйықтың ыдыстан ағып шығуға ұмтылуын көрсетеді. Пьезометриялық арын да сұйықтың потенциялдық энергиясын білдіреді. 3-нүкте сұйықтың ыдыстан ағып шығу ағымында көрсетілген. Ол нүктеде динамикалық немесе жылдамдықты арын болады да, ол қозғалыстағы сұйықтың кинетикалық энергиясын білдіреді. Ыдыстан тыс көрсетілген 4 нүктеде шартты түрде жойылу арыны (hж) болады. Бұл арынға сұйық жолындағы кедергіні басып өткеннен кейінгі барлық реал арындар өтеді. Дәл осылайша арын түрлерін газдарға қатысты жазуға болады. Мұнда газ әсері жоғарыға бағытталған. 1 нүктедегі газда болатын геометриялық арын hг- 1 нүкте арқылы 1 м2 көлденең беттен өтетін сыртқы ауа бағанасы мен ыдыстағы газ бағанасының салмақтарының айырмасы болып келеді: hг= Н(γауа-γгаз); кгс/м2 немесе мм.су.бағ Пьезометриялық арын hп- газдың статикалық қысымын білдіреді де (Р, кгс/м2), математикалық теңдеуі жоқ. Динамикалық арынды hд – 1 м3 қозғалыстағы газ үшін кинематикалық энергия теңдеуінен шығаруға болады. Eкин , ал 1 м3 газ массасы тығыздық арқылы жазылса, [γ=pg] Осыдан: hд= Жойылу арыны hж- газ қозғалысының жолында әртүрлі кедергілерді өтуге жұмсалатын энергия мөлшері болып келеді және ол газ қозғалаысын анықтайтын арынмен, яғни динамикалық арынмен байланысты болуы керек. к-газ жолындағы кедергіні сипаттайтын өлшемсіз коэффициент. Егер γt=pt·g екенін ескерсек динамикалық және жойылу арындары төмендегідей берілуі мүмкін: Газ қозғалысының негізгі теңдеулері 1. Газдың тепе-теңдігінің теңдеуі- тыныштықтағы газдың белгілі бір элементар көлемін үш өлшемдік кеңістікке орналастыру арқылы табамыз: (сурет) Классикалық механикадан тыныштықта тұрған дене үшін үш координаттар осіне түсіргендегі бұл денеге әсер ететін күш проекциялары нөлге тең екенін білеміз. Газға әсер ететін күштер массалық және беттік күштер деп бөлінеді. Массалық күштер берілген көлемдегі газдың әрбір бөлшегіне әсер етеді де, оның массасына пропорционал болады. Массалық күштерге ауырлық және инерция күштері жатады. Беттік күштер элементтің бетіне әсер етеді де, оның бетінің шамасына пропорционал болады. Беттік күштерге қысым және тұтқырлық күштері жатады. Барлық аталған күштердің ішінен тепе-теңдік қалпындағы газдың элементар көлеміне тек ауырлық және қысым күштері әсер етеді, ал инерция және тұтқырлық күштері қосылыста ғана пайда болады. Газдың элементар көлеміне әсер ететін массалың бірлігіне сай келетін меншікті ауырлық күшін координаттар осіне сәйкес , , деп белгілейік. Онда элементар көлем массасын ескере отыра оське жалпы ауырлық күштерінің проекцияларын түсіреміз: Элементар көлемнің сол жақ қабырғасына Ох осімен әсер ететін қысым проекциясын Р деп белгілейміз. Ал Ох осі бойынша қысымның өзгерісінің салдарынан элементар көлемнің оң жақ қабырғасына әсер ететін қысым болады. Сонда Ох осі бойынша қысымның теңдеуі: Дәл осылайша Оу және Оz осьтері бойынша қысымның теңдеулері: және . Лекция № 3 Газдың тепе-теңдік шарты бойынша барлық осьтерге түсетін күш проекцияларының қосындысы нолге тең, яғни: - - - Қысқартудан кейін газдың тепе-теңдігінің теңдеуін аламыз: , , 2. Идеал газ қозғаласының теңдеуі немесе Эйлер теңдеуі. Бұл теңдеуді шығару үшін қозғалмалы идеал газда орналасқан газдың элементар көлемін алайық. Бұл элементар көлемге ауырлық және қысым күштерінен басқа инерция күштері әсер етеді. Тұтқырлық күші болмайды, өйткені газ идеал. Классикалық механикада қозғалыстағы дене үшін инерция күштері басқа күштермен теңеледі. Газдың элементар көлеміне әсер ететін барлық аталған күштердің оське проекциясын анықтаймыз: Ауырлық күшінің проекциялары: , , Қысым күштерінің проекциялары: , Инерция күштерінің проекцисын анықтау үшін деп элементтің жылдамдықтарын белгілейміз, сонда үдеу проекциялары болады, мұндағы τ уақытты көрсетеді. Ал қозғалатын элементтің уақыт және кеңістікте жылдамдығының толық өзгерісін ескеретін жылдамдықтың субстанциалды туындылары болып келеді. Инерция күштерінің проекциялары үдеудің массаға көбейтіндісі ретінде анықталады: ; ; Инерция күштерін барлық басқа күштердің қосындысына теңестіреміз: = = = Өзгерту және қысқартулардан кейін идеал газ қозғалысының теңдеуін, яғни Эйлер теңдеуін аламыз: 3. Тұтқыр газ қозғалысының теңдеуі элементар көлемге 4 күш әсерін ескере отыра шығарылады. Бұл күштер: ауырлық күші, қысым, инерция және тұтқырлық күштері. Бастапқы аталған күштердің үшеуінің координаттар осіне проекциялары идеал сұйық қозғаласының теңдеуін есептеген кезде табылған. Жалпы жағдайда үш ось бойынша қозғалатын үйкеліс күшінің проекциясы: Қозғалатын тұтқыр газ үшін инерция күшін барлық қалған күштермен теңестіреміз де, Ох осіне қатысты күштер теңдеуін жазамыз: = + Енді жылдамдықтың субстанциал туындысының мәнін ашып жазамыз: Қандай да болмасын шаманың толық өзгеруі дегеніміз қозғалатын газдың элементар көлемінің уақыт және кеңістікте қозғалысының өзгерісі екені белгілі. Бұл өзгерісті шаманың уақыт және кеңістіктегі толық туындысымен жазуға болады: болғандықтан Бұл субстанциялық туындының мәнін Ох осіне қатысты күштер теңдеуіне қойып, dxdydz-ке қысқартамыз: Оу және оz осьтеріне қатысты жазамыз: Бұл үш теңдеуден құралған жүйе сығылмайтын тұтқыр сұйықтың қозғалысының дифференциалдық теңдеуі, газдар механикасында ол Навье-Стокс теңдеуі деп аталады. Газдың сығылатындығын ескере отырып Ох осі бойымен тұтқыр сығылатын газдың біртекті қозғалысы үшін келесі теңдеуді алуға болады. Лекция № 4 4. Газ қозғалысының тұтастығы немесе үздіксіздігінің теңдеуі. Массаның сақталу заының негізінде шығарылады. Қозғалатын газ ағымында орналасқан элементар көлемді аламыз да dτ уақыт аралығында ол арқылы өтетін газ массасын есептейміз. Ох осінің бағытында сол жақ қыры арқылы көлемге өтетін газ көлемінің оның тығыздығына көбейткенге тең газ массасы кіреді: Қарама-қарсы оң жақ қыры арқылы тығыздық және жылдамдық Ох осі бойынша дара туынды заңы бойынша өзгереді деген шартпен газ массасы көлемнен келесі координаталар бойынша шығады: Элементар көлемдегі Ох осі бойынша газ массасының өзгерісі: , басқа осьтер бойынша Массаның толық өзгеруі: Бұл кеңістіктегі элементар көлемде газ массасының өзгеруі уақыт бойынша масса өзгерісіне тең: Өзгертулерден кейін: Бұл теңдеу тұтастықтың немесе үздіксіздіктің жалпы алғандағы дифференциалдық теңдеуі деп аталады. Сығылмайтын газ үшін p тұрақты болғандықтан, тұтастық теңдеуінің түрі: 5. Арындар қосындысының тұрақтылығының теңдеуі. Алғаш рет Д. Бернулли шығарған. Мұндағы pgz- геометриялық арын Р- пьезометриялық арын - динамикалық арын hг+hп+hд=const Бұл теңдеу идеал газ (немесе сұйық) қозғаласы үшін Бернулли теңдеуі. Пеш жүйесінде қозғалатын реал газдар үшін энергия әртүрлі кедергілерді басып өтуг жұмсалады. Осының нәтижесінде реал арындар қозғалыс барысында жойылу арынына өтед. Реал газдар үшін Бернулли теңдеуі: hг+hп+hд+hж=const Бернулли заңының оқылуы- сығылмайтын сұйықтың (газдың) қимасы әртүрлі арнаның бойымен орнатылған ағымында арындардың барлық түрлерінің қосындысы тұрақты шама болып келеді. Теңдеуден байқағанымыздай реал газдар үшін реал және жойылу арындарының қосындысы барлық жол бойында тұрақты болып қалады. Арындар қосындысының тұрақтылығының теңдеуі- газ механикасының негізгі теңдеулерінің бірі. Бұл теңдеу пештегі және газарналардағы газ қозғалысын есептеуге негіз береді. СРСП № 1
Газдардың қозғалыс сипаты
Газдардың пештерде және газарналарда қозғалысы екі түрлі сипатта болуы мүмкін. Бұл ламинарлы және турбулентті қозғалыстар. Ламинарлы қозғалысқа газдың иірімсіз, қиылысусыз, параллель қабаттармен қозғалуы тән. (сурет) Ламинарлы ағынның максималды жылдамдығы оның геомертиялық осімен анықталады, ал арнаның қабырғаларында жылдамдық 0-ге теңеледі. Ламинарлы қозғалыста газарнаның қабырғаларында қозғалмайтын, қабырғаға жабысқан газ қабаты, яғни шекаралық қабат және прандтль қабаты түзіледі. Бұл қабат арна қабырғаларының материалы мен қозғалмалы газ ағыны арасындағы жылу және газ алмасу процестеріне үлкен әсерін тигізеді де, аталған 2 процесті де күрделендіре түседі. Турбулентті қозғалыс көптеген ұсақ иірімдері бар қиылысатын траекторилары бар газдың қозғалысын сипаттайды. (сурет) Турбулентті ағымның максималды жылдамдығы арнаның орталық аймағын ғана қамтиды, ал арна қабырғаларында w=0. Турбулентті қозғалыс кезінде шекаларлық қабат күрт азаяды, өйткені оны газ иірімдері әкетіп отырады, ал бұл газ ағымымен қабырға материалы арасындағы жылуалмасуға жақсы әсер етеді. Пештегі газ қозғалысының сипаты материалдардың физикалық- химиялық айналымдарына, газ қозғалысының кедергісіне, жылуалмасу процестерінің дамуына маңызы өте зор. Газ қозғалысының сипаты газ қозғалысының жылдамдығынан wt, м/с, газ арнасының гидравликалық диаметрімен d, м және газдың кинематикалық тұтқырлығымен анықталады. - Рейнольдс критериі Егер Re мәні берілген газ ағымы үшін 2300-ден кем болса, оның қозғалыс сипаты ламинарлы болады. Турбулентті қозғалыс Re мәні 2300-ден көп болған жағдайда байқалады. Re мәні 2000÷2300 аралығында болса аралық режим байқалады, бұл кезде траектория өзгерістері және алғашқы иірімдер пайда болады. Re=2300 критикалық мәнді формулаға қоятын болсақ, бір қозғалыс түрінен екінші түріне өтуін анықтайтын критикалық жылдамдық формуласын алуға болады: Пештегі газдардың қозғалыс сипаты турбулентті қозғалыс болып келеді. Көптеген металлургиялық пештер үшін Рейнольдс критерий 10000-нан 100000-ға дейін жетеді. Сонымен қатар біршама пештерде немесе пештердің кейбір бөліктерінде ламинарлы қозғалыс байқалады. Бұл қандай да бір жағдайларға байланысты газ жылдамдығы төмендейтін пештерде немесе оның кейбір бөліктерінде болады. СРСП № 2
Газ қозғалысына әсер ететін кедергілер
Газдар қандай да болмасын реал материя тәрізді қозғалыс кезінде өз жолында әртүрлі кедергілерге тап болады, оларды жеңу үшін арын түрінде энергия жұмсалады. Газ ағымында болатын кедергілердің түрлерін шағылдырғыш пештің газ өту жүйесінің сұлбасының көмегімен көруге болады. (сурет) Пеш жүйесі шағылдырғыш пештен, кәделеуіш-қазандықтан, газарналардан және түтін мұнарасынан құралған. Онда барлық жердегі кедергілер және жергілікті кедергілер болады. 1. Барлық жердегі кедергі-газ жолының барлық бөлімшелерінде болатын кедергі. Пештен бастап газдардың түтін мұржасынан атмосфераға шыққанға дейін шикіқұраммен шеген бетінде газдар үйкелісінен пайда болатын кедергі. Үйкеліс кедергісін басып өтуге жұмсалатын арын үйкелістен жасалатын арын деп аталады. Мұндағы үйкелістен арынның жойылу коэффициенті L- есептелетін бөлімшенің ұзындығы, м d- бөлімшенің гидравликалық диаметрі, м коэффициентінің шамасы қозғалыс сипатымен және Re критериімен анықталады: А-нақты ламинарлы қозғалыс және қабырғалардың кедір-бұдырлығы үшін қабырға материалынан байланыссыз болады да, көптеген арналар үшін А=64. Турбулентті қозғалыс үшін кірпіш арналарда А=0,175; кедір- бұдырлы металдан жасалған арналарда А=0,129. n-ламинарлы қозғалыс үшін n=1, турбулентті қозғалыс үшін кірпіш және металдан жасалынған арналарда n=0,12. Металлургиялық пештердің техникалық есептеулерінде ξ коэффициентінің мәнін 0,05 деп қабылдауға болады. 2. Жергілікті кедергілер- газ өту жүйесінің қандай да бір бөлімшесінде ғана болады. Кәделеуіш қазандық немесе шаң аулайтын қондырғылар тәрізді жекелеген қондырғылардың кедергісі, ағымның кеңеюінен немесе таралуынан, газ бұрылыстарынан болатын кедергілер. Жергілікті кедергілерге ыстық газдарды жоғарыдан төменге түсіретін бөлімшелер кедергісі де жатады. Ол кедергі геометриялық арынның қарсылығын басып өту үшін қажет. Жергілікті кедергілерді басып өтуге жұмсалатын арындарды жергілікті кедергілерден жоғалатын арындар деп атайды. к- жергілікті кедергі коэффициентінің мәні кедергілердің әрбір түрі үшін экспериментті түрде анықталады. Мысал үшін, шибер мен газ бөлігіштерде к мәні айнымалы болып келеді, оны жуық шамамен келесі формуламен есептеуге болады: F1-газ арна ауданының қимасы, м2 F2-шибер асты жолының ауданының қимасы, м2 к мәні анықтамалар мен әдебиеттерде келтіріледі. Шағылдырғыш пештің жүйесінде жергілікті кедергіден жойылатын арындар1-10 сандарымен белгіленген бөлімшелерде болады. 1,2,7,9 бөлімшелерінде жойылатын арындар газдың күрт бұрылысынан болады. 3,5,10 бөлімшелерінде арын ағымның кеңеюінен және таралуынан болады. 4,6 бөлімшелерінде арын жоғалымдары қазан мен шибер кедергілерінен байланысты. 8 бөлімшеде геометриялық арынның ыстық газдың Н биіктіктен түсіруге қарсыласуынан пайда болады. СРСП № 3
Газдардың саңылаулардан өтуі
Металлургиялық пештердің жұмысы кезінде пьезометриялық арыны бар, яғни қысым астында болатын газдардың саңылау арқылы төменгі қысым болатын кеңістікке өтуі жиі кездеседі. Мұндай жағдайларға ауа немесе оттегінің үрлеуіш (фурма) және саптамалардан (сопла) пештің жұмысшы кеңістікке үрленуі, отын-ауа қоспаларының жанарғылар мен форсункалардан ағуы тағы басқалары жатады. Төменгі қысымда ағу жағдайында Р1-Р2>1000-1500 мм.сын.бағ болғанда, ағу кезіндегі газ тығыздығының өзгеруін елемей, оны тұрақты, яғни р1 =p2=p=const деп аламыз. Сонда төменгі қысымда ағудың формуласы: Реал газдардың ағуын есептеу үшін φ шығын коэффициентін енгіземіз. Ол ағынның сығылуын және арынның жоғалуын ескереді: φ - шығын коэффициенті саңылау және оған қойылатын отырғызғы сипаттамасына тәуелді, мәні 0,6-0,97 аралығында болады. Саңылаудан ағып шығатын газдың массалық шығыны М кг/с келесі формуламен табылады: Жоғарғы қысымда ағу кезінде газ тығыздығының өзгеруі біршама үлкен шама болады: , м/с Саңылаудан ағып шығатын газдың массалық шығыны М кг/с келесі теңдеумен анықталады: Сонда Егер Р1>1,9Р2 болса, массалық шығын формуласы: , кг/с СРСП № 4
Газдардың бос кеңістікте қозғалуы
Газдардың бос осы газдармен толтырылған кеңістікте қозғалуы шарпымалы және электр балқыту пештерінде, күйдіру, дабылды, қыздыру пештерінде болады. Бұл пештерде отынның жануы үшін және процестің газ тәріздес өнімдерін жию және шығаруға арналған жұмысшы кеңістіктері үлкен, бос болып келеді. Мұндай пештердің гидравликалық кедергісі: к – шарпымалы пештерде 0,08, дабылды пештерде (ішкі бөлгіші және саңылаулары жоқ) - 0,014. Отынның жануы мен жылу алмасуға пайдалы газдар жылдамдығының үлкеюі шаң әкетумен және гидравликалық кедергілермен шектеледі. СРСП № 5
Газдардың бөлшекті материалдар қабаты арқылы қозғалуы
Мұндай қозғалыс шахталы пештерде және қайнау қабатында күйдіру пештерінде болады. Бөлшекті материал қабатының жалпы сипатын график көмегімен көруге болады. (сурет) Абсциссалар осі бойында қабат арқылы өтетін газ ағымы үшін Re критериінің мәні жазылған. Ординаталар осі бойымен Eu критериінің мәні жазылған, ол газ жолының гидравликалық кедергісін өлшемсіз түрде білдіреді. ΔΡ- қабаттағы қысымның айырмасы, мм.су.бағ. wt-шахтаның бос қимасына есептелген газдардың нақты жылдамдығы, м/с. ρ- газ тығыздығы, кгс·с2/м4 Графиктің сол жақ бөлігінде Re шектелген мәнінде абв қисығымен белгіленген жылжымайтын тұрақты күй облысы орналасқан. Мұнда Эйлер критериінің мәні тұрақты және Re критериінен тәуелді емес. в нүктесінде қабаттың тұрақтылығы бұзылады да, Re критериінің ұлғаю мәндерінде вж қисығымен белгіленген тұрақсыздық аймағы орын алады. Бұл аймақ қабаттағы материалдар бөлшектерінің қозғалысы Re мәнінің ұлғаюы кезінде күшейе түсетіндігімен сипатталады. Қабаттың тұрақсыз күй аймағында әртүрлі тұрақсыздық дәрежесімен сипатталатын бірнеше бөліктерді байқауға болады: 1. в-г бірінші тұрақсыздық дәрежесі-мұнда қабаттың қалыңдығы ұлғаяды. Әртүрлі бөліктер қозғалысқа келе бастайды. 2. г-д- екінші тұрақсыздық дәрежесі-қабат одан ары ұлғайып, барлық бөлшектер, ал кейін материал қабаттары да белсенді қозғалады. Бұл күйді оның қайнауы деп атауға болады. 3. д-е-үшінші тұрақсыздық дәрежесі-бөлшектер қабаттан тыс жерлерге лақтырына бастайды. 4. е-ж төртінші тұрақсыздық дәрежесі-мұнда барлық материал тығыздығы өте аз үздіксіз қозғалатын аэроқоспа түріндегі қалқыма күйге өтеді. Материалдың бұл күйі қалқу деп аталады. Шахталы пештердің жұмысы үшін шикіқұрам арқылы өтетін газдар шикіқұрам қабатын тұрақсыз күйге өтуін болдырмау керек. Ал қайнау қабатында материалдарды өңдейтін пештер үшін қабат арқылы өтетін газдар оны 2-ші дәрежедегі тұрақсыздық күйге өтуін қажет етеді. Материал қабатын тұрақты күйден тұрақсыз күйге өтуіне әсер ететін қалыпты жағдайларға келтірілген ауа көлемін-үрлеудің шекті мөлшері К м3/(м2·мин) деп аталады. Әртүрлі бөлшектенген материалдардың бірнеше қабатынан (кокс, қождама, кен) құралған шикіқұрам бағанасын келесі формуламен есептеуге болады: w1, w2, w3- шикіқұрам қабаттарында бөлшектер арасында бос өткелдерауданы, бірлік үлес. Кокс және жентектер үшін w=0,125, кен, қождама, қож үшін w=0,15. φ-пештегі бірлік үрлеуге сәйкес келетін қалыпты жағдайларға келтірілген газ көлемі, м3/м3. h1, h2- шикіқұрам қабаттарының биіктігі, м ρ1, ρ2- шикіқұрам материалдарының елесті тығыздығы, кг/м3. -шикіқұрам материалдарының кесектерінің орташа өлшемі, м ρо2- қабаттағы газдың келтірілген тығыздығы, кг/м3 t2орт- шикіқұрамбағанасындағы газдардың орташа температурасы, ºC. Бір қабатты біртекті шикіқұрам үшін к формуласы: Бұл формулаларды қолданып, нақты нәтиже алу үшін шикіқұрам материалдарының бөлшектерінің орташа өлшемі маңызды орын алады. қоспалары үшін қоспа түйіршігінің орташа өлшемі келесідегідей анықталады: 10-20 % 0,5 +0,5 20-30 % 0,3 +0,7 30-50 % 0,1 +0,9 50-70 % 0,05 +0,95 > 0,415 қоспалары үшін 10-90 % - ірі бөлшектер өлшемі, м - ұсақ бөлшектер өлшемі, м в- қоспадағы ұсақ бөлшектердің көлемдік мөлшері. Лекция № 5 Ұқсастық теориясы және модельдеу Қазіргі кезде ғылым мен техникада әртүрлі машина, қондырғы, процестерді зерттеу үшін олардың модельдерін қолданады. Мұндай зерттеу әдісі модельдеу әдісі деп аталады. Металлургияда – пештердің жұмысын және конструкциясын зерттеу үшін қолданылады. Модельдеу уақыт және құралдардың салыстырмалы түрде аз шығынында олардың сапалық және мөлшерлік сипаттамаларын зерттеуге мүмкіндік береді. Модельдеу әдісінің негізгі артықшылықтары: 1. Процестердің заңдылықтарын жазатын математикадағы белгілі тәсілдермен шығарылмайтын дифференциалдық теңдеулерді шешу. 2. Өнеркәсіптік қондырғыларда оқу қиын болатын процестерді зерттеу мүмкіндігі ( мысалы, металлургиялық пештің жұмысшы кеңістігіндегі процесс) Зерттелетін объект моделі оның физикалық немесе математикалық көшірмесі болып келеді. Физикалық модель- зерттелетін объектінің физикалық негізін қайталайтын құрылғы. Мысалы, пештегі газ қозғалысы процесінің физикалық моделі органикалық шыныдан жасалған газ орнында боялған ауа немесе су қозғалатын геометриялық ұқсас, бөлшектері азайтылған масштабы кішірейтілген өнеркәсіп пешінің көшірмесі болып келеді. Математикалық модель- шекті немесе бастапқы шарттармен толықтырылған зерттелетін объектідегі газ немесе материалдар қозғалысын, жылу немесе массаалмасуды, физикалық-химиялық процестерді айқындайтын дифференциалдық теңдеулер жүйесі. Мұндай жүйені ЭЕМ көмегімен есептейді. Қандайда болмасын зерттелетін объектінің моделіне қойылатын негізгі талап- модель және үлгінің ұқсас болуы. Күрделі машиналар мен процестердің ұқсастықтарының ғылыми негіздері ұқсастық теориясы атты арнайы әдебиеттерде беріледі. Ұқсастық критерийлері Күрделі жүйе және процестердің ұқсастықтарының зерттеулері екі жүйенің біртекті шамаларының қатынастарының тұрақтылығы бұл жүйені толығымен ұқсас екеніне жеткілікті емес екендігін көрсетеді. Жүйелердің толық ұқсас болуы үшін оларда критерий немесе ұқсастық инварианттары деп аталатын анықталған шамалардан құралатын сандық жағынан бірдей өлшемсіз комплекстер болуы керек. Ұқсастық критерийлерін әдетте сол ғылым айналасында жұмыс істеген ғалымдардың атымен атайды да, олардың фамилияларының алғашқы екі әріптерімен белгіленеді. Пеш жүйесін модельдеу кезінде қолданылатын кейбір гидродинамикалық және жылулық ұқсастықтарды қарастырайық: I Гидродинамикалық ұқсастықтар 1. Рейнольдс критерийі: Ағындағы инерция күштерімен үйкеліс күштерінің арасындағы қатынасты сипаттайды. w- прсцеске тән сұйықтың жылдамдығы ν-сұйықтың кинематикалық тұтқырлығы - дененің өлшемі 2. Фруд критерийі: Инерция мен ауырлық күштерінің қатынасын сипаттайды. w- денені алыстан айнала ағатын сұйық жылдамдығы g- ауырлық күшінің үдеуі 3. Струхальдың гомохрондық критеийі: Сұйықтың тұрақталмаған қозғалысын және жылжымалы сұйықтың уақыт аралығындағы жылдамдық өрісінің өзгеру жылдамдығын сипаттайды: τ- уақыт аралығы w- сұйық жылдамдығы 4. Мах критерийі: Үлкен жылдамдықпен өтетін сұйықтың тұрақталған қозғалысын сипаттайды. w- қаралатын нүктедегі сұйық жылдамдығы с- сол нүктедегі сұйықтықтағы дыбыс жылдамдығы 5. Эйлер критерийі: Инерция мен қысым күштерінің арасындағы қатынасты сипаттайды. 6. Галлилей критерийі: Ауырлық және молекулалық үйкеліс күштерінің арасындағы қатынасты сипаттайды. 7. Архимед критерийі: Ортаның еркін қозғалысының шарттарын сипаттайды. 8. Грасгоф критерийі: Сұйықтың тығыздықтарының айырымы мен молекулалық үйкеліс күштері арқылы пайда болатын көтергіш күштерінің қатынасын сипаттайды. - дене өлшемі αt- сұйықтың термодинамикалық кеңею коэффициенті ν- кинематикалық тұтқырлық ΔΤ- температуралық қысым, сұйықтық пен қабырғаның температураларының айырымы. 9. Вебердің беттік тартылыс критерийі: δ-беттік тартылыс γ-меншікті салмақ. ІІ Жылулық ұқсастықтар 10. Био критерийі: - материал қалыңдығы λ- қатты дененің жылу өткізгіштігі. Материалдың бетінен ішіне берілетін жылуды сипаттайды. 11. Фурье критерийі: Температуралық өрістің өзгеру жылдамдығының физикалық көрсеткіштердің және дене өлшемдері арасындағы байланысты сипаттайды. 12. Пекле критерийі: а- температура өткізгіщтік коэффициенті. 13. Прандтль критерийі: Сұйықтың физикалық қасиеттерін сипаттайды. 14. Нуссельт критерийі: Сұйық пен дененің беті арасындағы конвективті жылу алмасуды сипаттайды. α- жылу қайтарым коффициенті -дене өлшемі λ- газдың жылу өткізгіштік коэффициенті. 15. Маргулис критерийі: Жылудың конвективті тасымалдануын сипаттайды. Ср- меншікті массалық жылу сыйымдылық. 16. Больцман критерийі: Радиациялық жылуалмасуды сипаттайды. δ0- абсолют қара дененің сәулелену коэффициенті. Лекция № 6 Ұқсастық критерийлері Ұқсастық теориясы үш негізгі теоремаға негізделген. Бірінші ұқсастық теоремасы: Өзара ұқсас құбылыстарда бірдей ұқсастық критерийлері болады. Екінші ұқсастық теоремасы: Құбылыстардың заңдылықтарын барлық өзара ұқсас құбылыстарға тән критериалдық теңдеулер немесе ұқсастық критерийлері арқылы жазуға болады. Үшінші ұқсастық теоремасы: Біртекті шарттары ұқсас құбылыстар ұқсас және біртектілік шарттарынан құралған критерийлер сандық жағынан бірдей болады. Біртектілік шарттары ретінде қарастырылып отырған құбылыстардың негізгі заңдылықтарына байланысты парамертлер және шамалар жатады. Оған температура, қысым, жылдамдық және тағы басқа критерийлер жатады. Газдардың металлургиялық пештердің жұмысшы кеңістігінде қозғалуы Металлургиялық пештердің жұмысшы кеңістігінде өтетін маңызды процестерге жылу алмасу процестері жатады.Бұл процестерге пеш жұмысының барлық дерлік сандық және сапалық көрсеткіштері тәуелді. Пеш конструкциясы және жұмысы оның жұмысшы кеңістігінде жылу алмасудың ыңғайлы рационалдық режимі қамтамасыз ететіндей жасалуы керек. Бұл үшін газ қозғалысы отынды жағу процесі сияқты процестерді дұрыс ұйымдастыру қажет. Газдардың қозғалуы процестері жылу алмасу процестерімен тығыз байланысты, оған пеш шегенінің тұрақтылығы металдың біркелкі қызуы тәрізді процестер тәуелді болып келеді. Пештің жұмысшы кеңістігінде ыстық газдардың қозғалысын дұрыс ұйымдастырмаған жағдайда пеш жұмысы нашарлайды немесе істен шығады. Өнеркәсіптік пештердің жұмысшы кеңістігінде газдардың қозғалысы еркін және еріксіз болады. Еркін қозғалыс- әртүрлі температурада болатын газ көлемдерінің, тығыздықтарының айырмасына негізделген. Бұл жылдамдықтары төмен болатын қозғалыс. Еріксіз қозғалыс- сыртқы күштер әсерінен (ағындар, желдеткіштер әсерінен болатын қозғалыс) мұндағы жылдамдық үлкен болады да ол жылу алмасуға өз әсерін тигізеді. Жанарғы және фарсункалардан шығатын отын мен ауа ағындары қазіргі кезде газ қозғалысына әсер ететін ең негізгі факторлардың бірі болып табылады. Ағындар
Ағындар қазіргі кезде металлургиялық пештерді сұйық және газ тәріздес отынмен жаққан кезде көбінесе жағудың алаулы әдісі қолданылады.
l- берілген қиманың ағын саптамасынан арақашықтығы, м. rн- саптаманың радиусы, м. w- берілген қимадағы радиусы, м/сек2 a- дөңгелек ағын үшін тәжірибелік константасы. а=0,07; 0,08. 2) Жартылай шектелген ағындар.Тәжірибелік көз қарастан жартылай шектелген ағындардың екі жағдайы ең маңызды болып келеді. Олар қабырғаға жұғысатын ағындар және ағындық аппараттар. Мысалы мартен пештерінде алау оның балгілі бір ұзындығында балқыған металл және қож бетіне тиюі керек. Бұл жағдайда ағынның бетке жұғысуынан оның алысқа соғуы пайда болады. Осындай ағынның алысқа соғуы ағын мен қабырға бетінің арасындағы бұрышқа байланысты болады. Егер ағынқабырға бойымен бағытталып бетке тиейтін болса, бұндай ағынның алысқа соғуы еркін ағынныа жоғары болады. Бұл атмосферамен ағынның жұғысуы беті аз болғандықтан ағынның қоршаған ортадан алатын массасына аз энергия жұмсауымен түсіндіреді. Егер ағын мен бет арасындағы бұрышты үлкейтетін болсақ, ағынның алысқа соғуы азаяды да алау бет бойымен ағады. сурет-2. Параллель қабырға бойымен жартылай шектелген ағынның қозғалу сұлбасы. Ағынның қоршаған ортаны басып алу қасиеті ағындық аппараттарда қолданылады. Қарапайым ағындық аппарат араластырғыш және саптамадан құралады. Саптамадан шығатын ағым жұмысшы ағым деп атайды. Жұмысшы газ немесе сұйық саптамадан жоғары жылдамдықпеншығады да араластырғыш алдындағы ортаны қозғалысқа келтіретін ағымды тудырады. Араластырғышқа кіретін ағым инжекторлы ағым деп атайды. Қолдануына байланысты ағындық аппараттардың түрлері: Эжектор- бұл араластырғыштың алдында жоғары сиретілуі пайда болатын аппарат. Пештерде жану өнімдерін пештен аулақтауға қолданылады.(түтінді тарту құрылғылар) Инжектор- инжекторланатын ортада қысымның өзгерісі елеусіз болатын аппараттар. Пештерде газды беру үшін қолданылады. Ағындық аппаратты есептеу үшін Эйлердің импульстер теңдеуін қолданады. mсмwсм-(mрwр+mиwи)=(Pи-Pсм)fсм mсм; mр; mи- сәйкесінше араласқан ағындар жұмысшы ағын, инжекторланатын ағындардың массалары; fсм- араластырғыштың қимасы. 3) Шектелген ағындар- қабырғалармен шектелген кеңістікке ағатын ағындар. Мұндай ағындарға тән ерекшелік олар өз өлшемдеріне тең камераларда болады. Камераның бас жағында ағын еркін ағынға ұқсас болады және сол сияқты қоршаған ортаны қозғалысқа келтіреді. Алайда камера қабырғалары атмосферада газдың келуіне кедергі болатындықтан ағынның түбінде сиретілуі пайда болады. Ағынның соңында керсінше жоғары қысым байқалады. Осылайша шектелген ағын қысымның арту бағытына қарай дамиды. Бұл өз кезегінде газдың ағын сонынан басына қарай циркуляциясын тудырады. Сурет-3. Шектелген ағынның қозғалу сұлбасы. Циркуляция қарқындылығын сипаттау формуласы: m1 - бірінші құймадағы газдың секундтық массалық шығын; m2 – екінші құймадағы газдың секундтық массалық шығын; mц – циркуляцияланатын газдың массасы. Жылу беру негіздері Жылу алмасу теориясының негізгі ұғымдары Жылу беру теориясы жылудың бір кеңістік бөлігінен басқа бір кеңістік бөлігіне берілуін қарастырады. Жылу алмасу процесі жылудың ыстық денеден суық денеге берілуі кезінде байқалады. Ыстығырақ дене бөлшектерінің суығырақ дене бөлшегіне беретін энергия ағымы жылулық ағым деп атайды. Жылулық ағым үнемі аз температуралар бағытында жүреді. Температура дененің қызу дәрежесін сипаттайды да абсолюттік температуралық шкала бойынша немесе градустармен өлшенеді. Жылу беру процесі уақыт аралығында ғана емес сонымен қатар кеңістікте де өтеді. Сондықтан қарастыратын кеңістіктің әрбір нүктесіндегі теиператураны білу қажет. Осылайша температуралардың кеңістікте таралуы температуралық өріс деп атайды. Егер температура уақыт өте келе ешқандай өзгеріске ұшырамаса онда стационар жылулық күй пайда болады. Егер температура уақыт өткен сайын өзгерсе, мұндай процесс бейстационар деп атайды. Жылулық ағымның екі түрі болады: 1) Толық жылулық ағым- бірлік уақытта болатын ағым. Q, Вт; кДж/сағ; ккал/сағ. 2) Меншікті жылулық ағым – Бұл бірлік беті үшін қарастыратын жылулық ағым. q, Вт/м2 F- жылу беретін бет, м2 τ – уақыт, сағ. Жылу алмасу түрлері және шектік шарттар Жылу берудің негізгі үш түрін ажыратуға болады: Конвекция Жылу өткізгіштік Жылулық сәлелену. 1. Конвекциялық жылу алмасу – бұл қозғалыстағы газ немесе сұйық ыстығырақ аймақтардан суырақ аймақтарға жылуды тасмалдау процесі. Техникада көбінесе газ немесе сұйық және қатты денелердің бет арасындағы конвективті жылу алмасуды қарастырады. Бұл кезде жылу дене бетінен сұйық немесе газдың қозғалатын көлемдермен тасымалданады. Математикалық түрде конвекциямен жылу беру Фурье Кирхгов дефференциалдық теңдеуі арқылы жазылады. Ол қозғалыстын сұйықтағы температуралық өрістің өзгеруін сипаттайды. 2. Жылу өткізгіштік – бұл дененің бір бөлігінен басқа бөліктеріне жылудың берілуі кезінде бөлшектердің қозғалысы елеусіз болатын процесс. Жылу өткізгіштік пен жылу беру көбінесе гомогенді мөлдір емес қатты денелер үшін тән. Металлургиялық тәжірбиеде жылу өткізгіштік процестерде металлдарды қыздырудың теориясының негізінде және тәжірибе жүзінде қолданылады. Жылу өткізгіштік стационар және бейстационар күйде болуы мүмкін. Стационар күйде кеңістіктің бірінші нүктесінен екіншісіне жылу беру уақыты бойынша температураның өзгеруінсіз болады. Бейстационар күйде уақыт бойынша дене температурасы өзгереді. Яғни дене қызады немесе суйды. Бұл кезде оның жылу мөлшері артады немесе кемейді. Дененің жылу өткізгіштігі жоғары болған сайын ол тезірек қызиды. 3. Жылулық сәулелену – бұл кезде энергия белгілі бір ұзындықтағы электромагниттік толқындармен беріледі. Жылулық сәулелену вакуумда болуы мүмкін. Ол қоршаған орта температурасына тәуелсіз процесс. Қандайда бір жағдай үшін дефференциялдық теңдеуді шешуде негізгі дефференциялдық теңдеуден басқа осы жағдайға ғана тән. Қосымша шарттарды да қарастыру керек. Мұндай шарттар шекаралық шарттар деп аталады. Бастапқы шекаралық шарттар қыздыру процесі басталғанға дейін дененің температурасының күйін көрсетеді. Бұл температурның күйі әртүрлі болуы мүмкін. Бірақ ол міндетті түрде денедегі температураның барлық үш координаттар осі бойынша таралуын сипаттайтын теңдеу түрінде берілуі керек. Тәжірибеден жиі кездесетін және қарапайым уақыттық шарттар көрсеткендей уақыттың бастапқы моментінде дененің барлық нүктелеріндегі температура бірдей Жылу өткізгіштікке қатысты шекаралық шарттардың түрлері: 1) Бірінші текті шекаралық шарттар – денені қыздыру барысында оның бетінің температурасының өзгеруін қарастырады. Бұл шекаралық шарттарға тән мысал ретінде: дене бетінің температурасы оны тұрақты жылдамдықпен қыздырған кезінде түзу сызықты заң бойынша ұлғаятындығын жатқызуға болады. 2) Екінші текті шекаралық шарттар. q = f(t) уақыт функциясында қыздырылатын дененің беті арқылы өтетін жылулық ағымды белгілейтін шарттар. Бұл шарттарды қолдану жұмысшы кеңістігінің температуралары айнымалы болып келген пештерде қыздыру уақытын есептеуге мүмкіндік береді. 3) Үшінші текті шекаралық шарттар – пештің температурасын режимін реттеу жағдайларына және қоршаған ортамен жылу қабылдайтын бет арасындағы жылу алмасу, заңдылықтарына сәйкес келеді. Мысал ретінде көбінесе пеш температурасының тұрақтылығы Тпеш = const және жылу беру заңы q = 2 (Тпеш – Тбет) бойынша береді. Тәжірнибе жүзінде пештің жұмысшы кеңістігінің әртүрлі бөліктеріндегі температура бірдей болу жағдайлары жиі кездеседі. Сондықтан үшінші текті шекаралық шарттармен алынған шешімдер кеңінен қолданылады. Қарастырылған шекаралық стационар жылулық күйгеде бейстационар күйгеде қолданылады. Бейстационар күй үшін бұл шарттар уақытқа байланысты берілуі қажет. Жылу алмасу процесінің негізгі заңдылықтары Жылу алмасудың көптеген жағдайларына қарамастан негізгі екі үлкен топты ажыратуға болады. 1) Қозғалыста болатын сұйық немесе газ және қандайда бір дененің беті арасындағы жылу алмасу – Конвекция 2) Жылудың берілуі қатты денеде немесе тыныштықтағы сұйықта болатын жылу алмасу – жылу өткізгіштік Осыған байланысты жылу алмасудың негізгі екі заңы бар: 1) Конвекция мен жылу алмасу процесі үшін Ньютон заңы: Q= α ∆TFτ,кДж Берілетін жылу мөлшері берілген температуралар айырмасына жылу беретін бетке және жылу беру процесінің уақытына тура пропорционал Q– берілген жылу мөлшері, F – жылу алмасу реті, м2; T – температуралардың орташа айырымы, К; τ – уақыт, сағ; α – жылу қайтаору коэффиценті, Вт/м2К. Жылу қайтарым – жылу алмасудың бір ғана сатысын яғни газдан қабырғаға немесе керсінше жылу алмасуды қарастырады. Бұл жағдайларға α жылу қайтарым коэффициентін қолданады. Жылу беру процесі – жылу берудің бірнеше сатысын яғни жылудың бөлгіш қабырғамен бөлінген газдар арасында берілуін қарастырады. Бұл процесс жылу берудің үш сатысын қарастырады: газдың қабырғаға; қабырға арқылы; қабырғадан басқа газға жылу беру. Бұл сатылардың әрқайсысы өзінің жылу қайтарым коэффициентімен сипатталады. Ал жылу берудің толық процесі жылу берудің қосынды коэффициентіменанықтайды. К, В/м2К. 2) Жылу өткізгіштік пен жылу алмасу процестері үшін Фурье заңы ең негізгі болып табылады. q – меншікті жылулық ағым, Вт/м2 - х осі бойынша температураның көзсететін температура градиентті К/м. ( - ) – жылу температураның кему бағытында таралатындығын көрсетеді. х – жылу өткізгіштік коэффиценті, Вт/м2К, ккал/сағ м к, кДж/сағ м. Кей жағдайларда жылу алмасу процесін есептеу кезінде жылулық кедергі ұғымы қолданылады. Ол жылу қайтарым коэффициентіне кері шама. , м2К/Вт Жылу өткізгіштік пен жылу беру кезінде жылулық кедергі: S - жылу беру өтетін қабырғаның қалыңдығы, м. Лекция № 7 Конвекциямен жылу алмасу Конвекция мен жылу алмасу газ немесе сұйықтық қозғалыс шарттарын олардың жылу өткізгіштігі қыздыру бетінің пішіні және тағы басқа су сияқты көптеген факторлардан тәуелді күрделі процесс. Конвекция мен жылу алмасуға қозғалысты тудыратын күштер үлкен әсерін тигізеді. Бұл күштер ортаның өзінде немесе сыртқы күштердің әсерінен болуы мүмкін. Бірінші жағдайда еркін қозғалыс және еркін конвекция байқалса, екінші жағдайда мәжбүрлі қозғалыс және мәжбүрлі конвекция орын алады. Ламинарлы қозғалыс кезінде бөлек қабаттар бір – бірімен араласпайды да жылудың берілуі мұндай ағымда тен қабаттан қабатқа жылу беру қарқындылығына мүлдем дерлік әсер етпейді. Турбулентті қозғалыс кезінде ағымның негізгі массасы араласып тұрады да бұл бұл жағдайда қозғалыс жажылдамдығы үлкен әсерін тигізді. Турбуленттік қозғалыс кезінде ағымды шектеп тұратын қабырғалар маңында тұтқырлықтың әсерінен ломинарлы қозғалыс босатып жіңішке қабат түзеді. Бұл жіңішке қабат шекаралық қабат деп аталады. Ол жылу өткізгіштік процесіне үлкен әсеріне тигізеді. Турбулентті ағымда жылу беру қарқынды араластыру нәтижесінде болады. Ал шекаралық ломинарлы қабатта жылу беру жылу өткізгіштікпен өтеді. Сондықтан көптеген жылу тасмалдағыштар үшін (газ, су, май тағы басқа) жылу қайтарым қарқындылығы негізінен шамасы ағымның жылулық кедергісінен бір шама үлкен болатын шекаралық қабаттың термиялық кедергісімен анықталады. Ортаның қозғалыс жылдамдығын ұлғайтқанда шекаралық қабаттың қалындығы азаяды да бұл өз кезегінде жылу қайтарым коэффицентің арттырады. Еркін конвекция Еркін қозғалыс ортаның қыздырылған және суық бөліктерінің тығыздықтарының айырмашылығынан пайда болады. Осының нәтижесінде сұйық қыздырылған бетке тиеді де қызады. Оның температурасы қалған масса температурасымен салыстырғанда ұлғаяды. Ал тығыздығы кенейді. Ортаның қыздырылған және суық бөлшектері тығыздықтарының айырмашылықтарының салдарынан еркін қозғалыс және еркін конвекцияны тудыратын көтерме күш пайда болды. Осылайша еркін конвекцияны тудыратын қыздыру бетінің және ортаның температураларының айырмасы болып табылады. ∆Т температуралық арын бұл температуралық арын еркін конвекция кезінде жылу қайтару коэффицентімен анықталады. 1) шектелмеген кеңістіктегі еркі конвекция тік қыздырған бет үшін шектелмеген кеңістіктегі еркі қозғалыс ретінде беттің төменгі бөлігінде ламинарлы, ал жоғары бөлігінде турбулентті қозғалыс болатын қозғалыс қарастырылды. Қозғалыстың түрі: қабырғамен ауа температураларының айырмасына байыпты болады. Шектелмеген кеңістіктегі еркін конвекция жағдайдағы: 1. дене пішінінің маңызы аз қозғалыс режимі температуралық жағдайлармен анықталады. 2. Кейбір жағдайларда жылу алмасу процесі геометриялық өлшемдерден тәуелсіз және оны кішігірім моделдерде зерттеуге болады. 3. Жылу қайтарым процесі үшін негізгі анықтайтын күштер Граскоф және Франкель критерилерінің көбейтіндісі: Nu = c (GR·Pr)n c және n тәжірибелік коэффиценттер 2) Шектелген кеңістіктегі еркін конвекция шектелген кеңістіктегі жылу қайтарым үшін жылу коэффиценті (α) дәлдеп алынбайды. Өйткені бұл кезде жылу алмасу сияқты күрделі процесс жылу өткізгіштікпен жылу берудің элементар құрылысы ретінде қарастырылады да жылу өткізгіштіктің эквивалентті коэффиценті λэкв ұғымы енгізілді. Оның мәнін тәжірибелік жолмен анықтады. Егер жылу өткізгіштіктің эквивалентті коэффиценті сол ортаның орташа температурадағы жылу өткізгіштіктің нақты коэффицентіне бөлетін болсақ, жаңа коэффицент аламыз ол конвекция әсерін сипаттайды да конвекция коэффиценті деп аталады. Грасгоф және Франкель көбейтіндісінің функциясы болып табылады. Gr·Pr < 1000 конвекция коэффиценті Ек=1 тең Gr·Pr>1000 Ек=0,18 (Gr·Pr)0,25 Жылу өткізгіштіктің эквивалентті коэффиценті мәнін білсен, берілген жылу мөлшерін Фурье теңдеуімен табуға болады. Вт/ м2 ∆Т – қабат шекараларындағы температуралардың айырмасы. τ – жылу алмасуға қатысатын қабаттың қалындығы [м] Мәжбүрлі конвекция Мәжбүрлі қозғалыс кезінде конвекциямен жылу қайтаратын қозғалыс сипатына (ламинарлы, турбулентті) және жылдамдыққа тәуелді болады. Құбылыстың күрделігіне байланысты мәжбүрлі қозғалыстағы конвекциямен жылу қайтаратын процесінің әр – бір жағдайлар үшін жеке қарастыру керек. 1 жағдай: Құбырлардағы газ қозғалыс кезіндегі жылу қайтарым. Турбулентті қозғалыс және келесі тәуелдәләктә қолдануға болады. Nu= 0.023 Re0.8 Pr0.4 Критерилерді ортаның температураларының орташа мәндері үшін есептейді. Формула қимасы әртүрлі құбырлардың барлығына қолданылады. Анықтайтын өлшемдер ретінде дөңгелек құбырлар үшін диометр немесе эквивалентті диометр тандалады. 2 жағдай: Құбырларды айнала аққандағы жылу қайтарым. құбырларды көлденен және қиғашынан айнала аққанда сондай-ақ құбырлардың каридорлы және шахматты орналасу кезіндегі жылу қайтарым коэффицентінің мәндерінің әртүрлі болуы құбырды айнала ағатын ағымның қозғалыс режимдерінің әртүрлілігімен түсіндіреді құбырлардың каридорлы орналасуына қарағанда шахматты орналсқан құбырлар шоғына кіру кезінде ағымның турбуляция дәрежесі жоғары болды. Сонымен қатар жылу қайтарым коэффицентінің шамасына жылулық ағымның бағыты (құбырлардағы ортадан қабырғаға қарай және керісінше) құбырлар шоғырының түрлері (тік құбырлар немесе суытқыштар) құбырлар осі және ортаның ағымның бағыты арасындағы бұрыш және тағы басқа факторлар әсер етеді. 3 жағдай: Жеке құбырларды ағынмен көлденен айнала аққандағы жылу қайтарым дөңгелек құбырлар үшін жылу қайтарым коэффицентінің шамасы үшін анықтауда қолданылатын формула: Nu=E c Ren Е – құбыр осімен ортаның ағымының бағыты арасындағы бұрышқа түзету с және n – тұрақты коэффиценттер Е – бұрышқа тәуелді мәндері:
с және n – коэффицентінің Рейнольдс критеийіне байланысты мәндері:
4 жағдай: Құбырлар шоғырын айнала аққандағы жылу қайтарым. Өнеркәсіпте құбырлар шоғырының айнала аққандағы жылу қайтарым бу қазандарын да, жылу алмастырғыштар да, регенераторлар да, рекупраторлар да жиі қолданылады. сурет-4. Құбырлардың каридорлы шоқта орналасуы және қозғалыс сипаты. сурет-5. Құбырлардың шахматты шоқта орналасуы және қозғалыс сипаты. Өнеркәсіпте құбырлардың шахматты шоқта орналасуын жиі кездестіруге болады. Бұл жағдайлар үшін қолданылатын формулалар. 1. Ағым суыған кезде Вт/м2к ŋ1ŋ2ŋ3 – бұл шоқтар қатарларының санынан және адымдардың ені мен терендігінің әсерін ескеретін түзету коэффиценттері. 2. Ағымды қыздырған жағдайда – бұл кезде жылу қайтарым коэффицентінің температуралық факторлардың әсерін ескертетін коэффицентке көбейту керек Тгаз және Тқаб – газ ағымының және құбырдың қабырғасының температурасы [k] ЖЫЛУ ӨТКІЗГІШТІК Стационар күйдегі жылу өткізгіштік Стационар жылулық күйде температура уақыт өте келе өзгермейді. Металлургиялық жылу технникасында жылудың жылу өткізгіштікпен берілу жағдайлары тегіс қабырғалар арқылы жылу беруде жиі кездеседі. 1.Бір қабатты қабырға арқылы жылу беру. Қабырғада температуралардың таралуын және ол арқылы берілетін жылудың мөлшерін анықтайтын теңдік алу үшін жылу өткізгіштіктің дифферециалдық теңдеуін бірінші текті шекаралық шарттар мен бірге есептеу қажет. Сурет-Тегіс бір қабатты қабырға арқылы жылудың берілуі Суретте: q жылулық ағым қалыңдығы қабырғадан Т1 температурасы бар беттен Т2 температурадағы бетке өтуін көруге болады. Бұл жағдай үшін қабырға қалыңдығы бойымен температураның өзгерісін анықтайтын теңдеу. Ал қабырға арқылы өтетін жылу мөлшері: , Вт/м2 2.Көп қабатты қабырға арқылы жылудың берілуі. Үш қабаттан тұратын тегіс қабырғаны қарастырамыз. Сурет- Үш қабатты қабырға арқылы жылудың берілуі Көп қабатты қабырға арқылы өтетін жылу мөлшерін анықтау үшін стационар процесте әрбір қабат арқылы өтетін жылу мөлшері бірдей болады. 2.Қыздырылған газдан суығырақ газға тегіс қабырға арқылы жылудың берілуі. Стационар жылулық күй қарастырылып отырғандықтан Т1 жылу беретін газдың температурасы және Т6 жылу қабылдайтын газдың температурасы Т2,Т3,Т4,Т5 шамалары тәрізді уақыт өте келе өзгермейді. Қоршаған ортаның температурасын тұрақты етіп ұстап тұру үшінші текті шекаралық шарттарға жылу алмасу процесі және жылу қайтарым коэффициентімен анықталады. Қыздырылған газдан берілетін жылу мөлшері: , Вт/м2 Қабырға арқылы өтетін жылу мөлшері Қабырғадан суығырақ газға берілетін жылу мөлшері Жылу қайтарым коэффициентіне кері шама бұл - жылулық кедергі q=k·(T1-T6) мұндағы : к-жылу беру коэффициенті. 2 Бейстационар күйдегі жылу өткізгіштік Бейстационар күйде уақыт өте келе дененің температурасы өзгереді. Мұндай дененің температураларының өзгерісі ол суығанда немесе қызғанда болуы мүмкін тәжрибе жүзінде бұл металды қыздырудың кең таралған процесі өндірісте металдың қызуы кезінде жұмысшы кеңістіктің температурасы тұрақты пештер жиі кездеседі. Ал ұзындығы бойынша температурасы өзгеретін кейбір пештерді шартты түрде шамамен температурасы тұрақты болатын бөліктерге бөліп, олардың әрқайсысына үшінші текті шекаралық шарттармен алынған шешімдерді қолдануға болады. мұндағы: Т0- пештің немесе ортаның температурасы Тбаст- қыздырудың бастапқы моментіндегі металдың температурасы, К а- температура өткізгіштік коэфициенті, м2/сағ t-денені қыздыру немесе суыту уақыты s- қыздырылатын дененің есептелетін қалыңдығы, м х- дененің центрінен температураны анықтау нүктесіне дейінгі қашықтық Металдың қыздыру температурасы үш өлшемсіз комплекске тәуелді. Олар: мұндағы: Ө- өлшемсіз температуралық критерии Т0- ортаның немесе пештің температурасы Тбаст,Тсоңғы- қыздырылған дененің сәйкесінше басттапқы, соңғы температуралары - Фурье критериі - Био критериі - өлшемсіз геометриялық симплекс Ол температурасы анықталатын денедегі нүктенің орналасуын көрсетеді. Қыздырылған дененің центрі үшін х=0 тең. x/s=0 дене беті үшін x=s. x/s=1 дененің беті үшін температуралық критерии Дененің центрі үшін Денелерді қыздыру сипаты Био критериіне байланысты аталған шешімдерді био>0,5 болғанда қолданған тиімді. СӘУЛЕЛЕНУ МЕН ЖЫЛУ АЛМАСУ 1 Жылулық сәлеленудің негізгі ұғымдары мен заңдары Сәулелену мен жылу беру вауумда таралу мүмкін болатын электромагниттік тоқындардың көмегімен іске асады. Электромагниттік толқындардың толқын ұзындықтарының мәндері: Ультра күлгін 0,02-0,4 Көрінетін 0,4-0,76 жылулық немесе инфрақызыл 0,76-400 Дененің температурасы абсалюттік 0-ден өзгеше ьолған жағдайда қандай да болмасын денеге жылуды сәулелендіруі тән. Дененің температурасы жоғары болған сайын оның жылуды сәулелендіруі де жоғары болады. Жылудың барлық спектрі бойынша яғни сәулеленуі интегралдық деп аталады. Белгілі бір толқын ұзындығындағы сәулелену монохроматты деп аталады. Денелер жылулық спектрлерді жұтуы, өткізуі, шағылыстыруы мүмкін. Q=Qж+Qөт+Qшағ A+D+R=1 мұндағы: А- дененің жұту қаблеті D- дененің өткізу қаблеті R- дененің шағылыстыру қаблеті Түсетін сәулелердің барлығын жұтатын дене абсалюттік қара дене деп аталады. Түсетін сәулелердің барлығын шағылыстыратын дене абсалютті ақ немесе айналы дене деп аталады. Нақты денелер абсалютті қара және абсалюттік ақ дене арасында болады және оларға жылулық сәулеленетін энергиясының жартылай жұтылып, жартылай шағылыстыруы тән. Бұл денелерді сұр денелер деп атайды. Абсалютті қара дене үшін жылулық сәулеленудің температурадан тәуелділігі Планк заңы: Монохроматты сәулеленудің қарқындылығы температураға және толқын ұзындығына тәуелді. - толқын ұзындығы сәулеленудің қарқындылығы, Вт/м3 Т- абсалюттік температура Абсалют қара дененің сәулелендіру қарқындылғы үшін Планк заңын келесідегідей жазуға болады. , Вт/м3 h- планк тұрақтысы с- жарық жылдамдығы Планк заңы бойынша абсалют қара дене абсалют 0-ден өзге барлық температурада дейінгі барлық толқын ұзындықтарында сәулеленеді және әрбір толқын ұзындығы үшін сәулелену қарқындылығы температура көтерілген сайын ұлғаяды. Стеффан - Больцман заңы: Нақты процестер үшін толық сәулелену яғни барлық толқын ұзындықтардағы қосынды сәулелену қызығушылық тудырады. Абсалют қара дене үшін толық сәулеленуді табуда сәулелену қарқындылығының мәнін дейінгі толқын ұзындықтары үшін қосындысын анықтау керек. Вт/м2 Е0- абсалюттік қара дененің сәулелену қасиеті - абсалюттік қара дененің сәулелену коэффициенті 5,7*10-8Вт/м2*К4 Бұл теңдеуді Стеффан – Больцман заңы деп аталады. Бұл заң бойынша абсалюттік қара дененің сәулелену қасиеті абсалюттік температураның 4-ші дәрежесіне тура пропорционал болады. шамасы өте аз болғандықтан заңды келесі түрде жазуға болады. С0=5,7Вт/м2*К4 С0- абсалюттік қара дененің сәуле жіберу коэффициенті Сұр денелер үшін сәулеленудің температурадағы тәуелділігі Сұр дененің сәулелену қасиетін қара дененің сәулелену қасиетіне қатысты сипаттайтын шаманы қаралық дәрежесі деп атайды. Қаралық дәрежесі белгілі бір температурада сұр дененің толық сәулеленуінің абсалютті қара дененің толық сәулеленуіне қатынасымен табылады. -қаралық дәрежесі Е- сұр дененің толық сәулеленуі Алынған мәнді Стеффан- Больцман теңдеуіне қойсақ сұр дене үшін Стеффан- Больцман заңын аламыз. С- сұр дененің сәуле жіберу коэффициенті Денелердің сәулелену және жұту қасиеттері арасындағы байланыс Денелердің сәулелену және жұту қасиетінің арасындағы байланысты Кирхкгофф заңымен жазуға болады. Әртүрлі денелердің бірдей температураларда сәулелену қасиеті Е1,Е2,Е3 және сол температурада сұр денлер үшін жұту қасиеттері А1, А2, А3 температураларда абсалюттік қара денелердің сәулелену қасиетін Е0 деп белгілесек Кирхкгофф заңын келесідей өрнектеуге болады. Теңдеулерді салыстыратын, болсақ осыдан қаралық дәрежесі берілген денелердің жұту қаблетіне сандық жағынан тең деген қорытынды алуға болады. Сол себептен қаралық дәрежесінде жұту қаблетін де деп белгілейді. Жылулық сәулеленудің геометриялық факторлардан тәуелділігі Ламберт заңы: Егер Стеффан- Больцман заңы қандай болмасын беттің барлық жартылай сфера бойымен сәулеленетін жылулық энергияның толық мөлшерін есептеуге қолданылса Ламберт заңы сәулеленетін бет немесе оның нормальына жылу мөлшері қандай бұрышпен сәулеленетінін көрсетеді. Е- Стеффан- Больцман заңына сәйкес ауданның барлық бағыттарындағы толық сәулелену, Вт/м2 Еn- нормаль бойынша сәулелену тығыздығы, Вт/м2 -сәуле бағыты және нормаль арасындағы бұрыш Еn номаль бойынша сәулелену тығыздығы толық сәулеленуден есе кіші екені анықталған Ара қашықтықтар квадратының заңы. Бұл заң сәулеленетін ағын тығыздығы жылу қабылдайтын беттің сәулелену көзінен қандай арақашықтықта болатыны тәуелді. Е1- сәулелену көзінен 1м қашықтықтағы сәулеленетін ағынның тығыздығы, Вт/м2 - Lарақашықтықтағы сәулеленетін ағынның тығыздығы, Вт/м2 Сәулелі мөлдір ортамен бөлінген сұр беттер арасындағы сәулелену мен жылу алмасу Бұрыштық коэффициенттер. Тәжрибеде сәуле шашыратқыштан берілетін жылу үлесі бетке қандай бұрышпен түсетінін қарастыру үшін бұрыштық коэффициент немесе сәулелендіру коэффициенті қолданылады. Мысал ретінде электр пешін қарастырамыз. Эектрлі қыздыру элементтері күмбезде орналасқан. Барлық бағыттарда жылу беріледі. Осы қатынастарды бұрыштық коэффициенттер деп атайды да деп белгіленеді. Бұрыштық коэффициенттер бір-бірімен келесі ережелер арқылы байланысады. Тұйықталған ережесі. Тұйық жүйе үшін Q1+Q2+Q3=Q Q4.1+Q4.2+Q4.3.=1 Осылайша тұйық жүйе үшін бұрыштық коэффициенттер қосындысы 1-ге тең болады. Өзара байланыс ережесі. Егер екі бет бір- біріне сәулеленетін болса кейбір жағдайларда бір беттің элементтері сәулеленген жылумен алмасу мүмкін. Q4- күмбез бетінің барлық элементтері бір-біріне сәулеленетін жылу мөлшері Газдардың сәулеленуі Газдардың жұту спектрі таңдамалы болады. Бұл газдардың толқын ұзындықтарының белгілі бір интнрвалдарында жылулық энергияның жұтатынын көрсеьеді. Бір және екі атомды газдар жылуды көп мөлшерде сәулелендіруі үшін СО2 газы үшін толқын ұзындықтарының интервалдары 2,3-3,02 мкм, 4,01-4,8 мкм және 12,5-16,5 мкм болатын сәулелдендіру және жұтудың үш жолағын қабылдайды. Газдардың жылулық энергияны жұтуы температурадан парциалдық қысыммен белгіленетін газ концентрациясынан және газ қабатының эффективті қалыңдығына тәуелді. Газдардың қаралық дәрежесі үшін АТ= . Газдың 1м2 бетке сәулеленуді жылу мөлшері: Газдардың қаралық дәрежесін анықтау. Газдардың қаралық дәрежесі газ температурасынан оның парциалдық қысымынан және сәуле жолының орташа ұзындығына тәуелді. Әдетте газдың темпеартуралары белгілі болады. Газдардың парциалдық қысымын отынның жануының есептеулерінен алуға болады. Сәуленің орташа ұзындығы Sэф= V- сәулелендіретін газбен толтырылған көлем, м3 F- газдың көлемін шектейтін барлық қабырғалардың беті -коэффициент =0.9 Газдардың қаралық дәрежесін анықтау үшін графиктерден СО2 қаралық дәрежесін және су буының шартты қаралық дәрежесін анықтаймыз. Су буының шартты түрдегі қаралық дәрежесін түзету коэффициентіне көбейту қажет. Газдардың қаралық дәрежесін жеке газдардың алынған қаралық дәрежелерін қосу арқылы табамыз. Сәулелендіретін газ және қабырғалар арасындағы сәулелендірумен жылу алмасу Қыздырылған газ оны қоршап тұрған 1м2 бетке сәулелендіретін жылу мөлшері. , Вт/м2 Қабырғалардың бірлік бетінен сәулеленетін жылулық ағым. , Газдардан қабырғаға сәулелендірумен берілетін жылу мөлшері , Вт газ температурасындағы қаралық дәрежесі -қабырға температурасындағы газдың қаралық дәрежесі -қабырға температурасындағы қабырғаның қаралық дәрежесі Әлсіздендіретін ортамен (сұр газбен) бөлінген екі беттен құралған оқшау жүйедгі жылу алмасу Сұр газбен толтырылған тұйық көлемді құрайтын 2 сұр бет арасындағы жылу алмасу жағдайын қарастырайық. F2 беті адиабатты болсын бұл беттің эффективті сәулеленуі оған түсетін сәулелік ағымға тең болады. F1 беті қарастырылып отырылған сұлба бойынша жылу қабылдайтын бет (қыздырылатын материалдың беті) F1 бетінің нәтижелік ағымын анықтаймыз. F1 бетінің эффективті сәулеленуі Бұл формула Тимофеев формуласы ол өнеркәсіптік пештердегі жылу алмасуды есептеу үшін қолданылады. жүктеу/скачать 0,63 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|