V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Для глубокого освоения материала студентами металлургических специальностей по таким дисциплинам, как экстракция черных металлов из природного и техногенного сырья, производство стали и ферросплавов, теплофизики металлургических процессов, доменному производству и других, необходимо выполнить ряд лабораторных работ, связанных с металлургией. Но заводского варианта работ не имеется. Нами была разработана и сконструирована модель установки подогрева зернистого слоя горячим газом, на которой можно провести серию экспериментов по гидравлическому сопротивлению слоя, по распределению температур в слое. Примером зернистого слоя может служить слой окатышей, находящийся в зонах обжиговой машины и в бункере охлаждения после обжиговой машины, слой агломерата. Ниже представлена разработанная лабораторная работа.

Лабораторная работа. Исследование коэффициента гидравлического сопротивления зернистого слоя и распределение температур по его высоте.

Цель работы:

1.Исследовать гидравлическое сопротивление слоя гранулированного материала в зависимости от скорости воздуха.

2. Исследовать распределение температуры по высоте слоя окатышей от времени при различных расходах и температурах газа, проходящего через слой.

Приборы и оборудование: установка для подогрева слоя окатышей, термопары для измерения температуры газа по высоте слоя гранулированного материала, тепловой пистолет для подогрева воздуха, электронный термометр для определения температуры подогретого воздуха, милливольтметр для определения величины напряжения на термопаре, микроманометр для определения перепада давления в слое, электронный термометр для определения окружающей температуры воздуха и температуры газа перед окатышами.

1. Теоретическое введение

С плотным слоем часто приходится встречаться в металлургической промышленности: это режимы работы слоевых печей, таких как шахтные печи для кусковых материалов, являющихся самыми распространёнными печами данного типа, обжиговые машины окатышей, печи прямого восстановления железа, домны и т.д.

Под слоевым режимом работы печей понимают обработку кускового, зернистого или пылевидного материала, когда он распределён по всему объёму или сечению рабочего пространства печи и сплошная газовая среда проходит через материал.

Различного рода взаимодействия системы дисперсных тел с протекающей через эту систему средой - жидкостью или газом - очень распространенное в металлургии явление. К этим системам, которые далее будем называть зернистыми слоями, можно отнести плотные слои зерен, характеризующиеся непосредственным, постоянно зафиксированным контактом между отдельными частицами - зернами слоя.

При всей широте и разнообразии используемых в промышленности зернистых слоев в характере различных по своей природе взаимодействий между слоем и проходящим сквозь него потоком есть много общего. К таким взаимодействиям относятся прежде всего гидравлические, тепловые и процессы переноса и распространения вещества.

Характеристика гидродинамики зернистого слоя

Зернистый слой представляет собой систему с весьма сложными и многообразными характеристиками. Полное их описание предусматривает знание формы элементов, их общего числа в единице объема, линейных размеров всех зерен и их взаимного расположения. Для несферических частиц существенна их координация в пространстве, заданная, например, углами наклона главных осей симметрии элементов к траектории потока жидкости (газа), проходящего сквозь слои зерен.

Столь детальное описание, однако, чрезмерно сложно, и нет в нем необходимости. В большинстве практически важных случаев число элементов - зерен слоя в рассматриваемом аппарате весьма велико и вероятность их укладки в какой-либо определенной координации относительно главных осей аппарата при беспорядочной загрузке в аппарат ничтожно мала. Целесообразно, поэтому рассматривать зернистый слой в среднем как однородную изотропную среду и вводить некоторые обобщенные характеристики зернистого слоя.

Порозность слоя - доля не занятая зернистыми элементами объема. Величина порозности зависит от формы элементов слоя, состояния их поверхности, характер их упаковки в слое.

Зерна многих материалов, засыпаемых в слой (сорбенты, катализаторы, угли, окатыши, концентрат и др. материалы), обладают еще и внутренней пористостью. Внутренняя поверхность и объем пронизывающих зерна пор (крупных и мелких) существенно определяют статику и кинетику сорбции. В этих порах происходит диффузия сорбирующихся и реагирующих компонентов, но, практически, нет гидродинамических потоков. Поэтому в величину порозности характеризующую гидродинамические свойства зернистого слоя внутренняя пористость не включается.

Порозность - отношение объёма газа, находящегося в слое, к объёму слоя, т.е. V=V_с+V_д (V_с-объем сплошной фазы (газа), V_д-объем дисперсной фазы (материала в слое)

ε =

и удельная поверхность твёрдых частиц f, связанные между собой соотношением

f=6(l-) /d (1)

где d - диаметр сферических частиц, образующих слой.

Для монодисперсного слоя сферических частиц наиболее плотная упаковка соответствует гексагональной упаковке с s = 0,259. В случае кубической- 8 = 0,476. При случайной упаковке сферических монодисперсных частиц = 0,38-0,47. В полидисперсных слоях могут наблюдаться меньшие значения порозности [1]. Порозность слоя зависит от формы элементов, состояния их поверхности, характера упаковки, но не зависит от абсолютных размеров образующих слой элементов.

Для определения порозности надо измерить плотность материала частиц ρ_чи насыпную плотность материала частиц в слое ρ_н.

ε = 1-( ρ_н/ρ_к)(2)

Для частиц, обладающих внутренней пористостью, вместо ρ_ч в уравнение (2) необходимо подставить кажущуюся плотность материала вместо ρ_н, а вместоρ_к вставить ρ_и

Поверхность зерен слоя, приходящаяся на единицу его объема зависит от размера и формы элементов слоя и от величины порозности слоя. Для слоя состоящего из шаров одинакового размера поверхность зерен единицы объема а [м²/м³] равна:

(3)

где d - диаметр зерна, м; D - диаметр аппарата, м.

Для полидисперсных систем средний диаметр зерен можно определить как

d_ср=1/ ∑ (x _i / d _i)(4)

где x _i - массовая доля частиц с диаметром d_i

Для слоя шаров одинакового размера эквивалентный диаметр порового канала d_э определяется как

(5)

Средняя скорость - это скорость, рассчитанная на все сечение зернистого слоя. Обозначая величину сечения аппарата S (м²), объемный расход Q (м³/с), имеем среднюю скорость

w_о = Q / S(6)

где S= 3,14*D²/4-площадь сечения сосуда с окатышами

Истинная средняя скорость - это средняя скорость потока в пространстве между зернами. Истинная средняя скорость определится как

w = w _о / ε_o(7)

Перепад давления ∆Р (или потери давления в слое) обычно для зернистых материалов определяют на единицу высоты слоя Н (м):

(8)

где λ- коэффициент гидравлического сопротивления.

В металлургической практике для плотного слоя часто используют обычно формулу Эргана

(9)

которая учитывает наличие инерционных сил в движущемся потоке (второе слагаемое в правой части уравнения)., где μ –коэффициент динамической вязкости, ρ –плотность жидкости, W- скорость жидкости, L- высота слоя.

Коэффициент гидравлического сопротивления в общем случае является функцией эквивалентного критерия Рейнольдса. В зависимости от вида функции в литературе предлагаются различные уравнения для расчета величины коэффициента гидравлического сопротивления. Для всех режимов движения применимо, в частности, следующее обобщенное уравнение:

(10)

где Re- критерий Рейнольдса, определяется как

(11)

где μ - динамическая вязкость потока, кг/(м^.с).

Подставляя значения w из уравнения (7) и d_э из (5) в уравнение (10) получим: (12)

Передача тепла в системе «Плотный слой - воздух»представляет собой довольно сложное явление, которое можно рассчитать различными способами.

Самый простой способ определения усредненной температуры в слое основан на тепловом балансе. Зная температуру газа, поступающего в слой, можно определить его теплосодержание в единицу времени по формуле:

Qr = C_vVT_o, (13)

где С_v-удельная объемная теплоемкость газа, проходящего через плотный слой Дж/(К*м³) при исследуемой температуре, V- расход газа,м³/с, Т_о- начальная температура газа, К.

Плотный слой имеет свое теплосодержание в единицу времени, которое определится по формуле:

Q_г=C_v*V* T₀ (14)

где C_v-удельная объемная теплоемкость плотного слоя, Дж/(м³*К), V- объем плотного слоя, Т₀-начальная температура слоя, К.

После прохождения плотного слоя сыпучего материала газ охладится до температуры Т_с1, при этом он будет иметь следующее количество теплоты:

Q_г =С_v1*V*T₀₁ (15)

Тогда отданное количество теплоты в единицу времени определится:

Q_от= V*(С_v1*T₀₁ – C_v*T₀) (16)

где V-количество газа, пройденного через слой

V =P*t (17)

P- расход газа в м³/с, t –время продувки газом в секундах.

Сыпучий материал в начале эксперимента имеет свое теплосодержание, которое определится по формуле:

Q_c= C_c*M_c*T_c(18)

где С_с–удельная массовая теплоемкость плотного слоя при соответствующей температуре Дж/(кг*K) ( по справочнику),М_с—масса плотного слоя,кг,Т_с-температура слоя,К.

Масса плотного слоя рассчитывается по известной высоте слоя Н_с, диаметру сосуда D (измерить штангенциркулем), насыпной плотности материала (ρ_нм), которая определяется по формуле:

М_с = ρ_нм*Н_с*π*D²/4 (19)

При продувке горячим газом плотного слоя, он будет нагреваться, при этом его теплосодержание определится по формуле:

Q_c1= C_c1*M_c*T_c1 (20)

Тогда количество теплоты, полученное от газа плотным слоем равно:

Q_пол = M_c*( C_c1*Т_с1- С_с*Т_с) (21)

Cчитая, что часть тепла поглощается окружающей средой, введем коэффициент К, который показывает долю тепла, отданную окружающей среде. Тогда можно составить уравнение теплового баланса:

Q_oт =Q_noл.

V* (Сv1*Т₀₁ -C_v *Т₀) *(1-K)= М_c*(C_c1*T_c1- C_{c *}Т_c) (22)

Из этого уравнения можно найти температуру слоя после прохождения через него газа, температуры Т₀₁, Т₀ определить по показаниям термопар и термометра электрического.

2.Экспериментальные исследования

2.1.Описание лабораторной установки

Общий вид лабораторной установки для исследования коэффициента гидравлического сопротивления слоя гранулированного материала представлен на рисунке 1

.

Рис. 1 Общий вид установки для исследования коэффициента гидравлического сопротивления слоя и распределения температур по его высоте.

Схема этой установки дана на рис.2.

Рис.2.Схема лабораторной установки для определения коэффициента сопротивления плотного слоя и распределения температур по его высоте.

В цилиндр 1 загружается гранулированный материал 3. На разных уровнях в цилиндре встроены термопары 2, которые измеряют температуру в слое, регистрируется температура на приборе 10, и трубки 4, которые подсоединяются к манометру 5 для измерения перепада давления в слое.. Газ по трубе 7 подается в емкость с материалом. Гранулированный материал продувается горячим газом 8 от пистолета 6, температура поступающего воздуха в сосуд измеряется электрическим термометром 9 непосредственно перед цилиндром. Устройство микроманометра представлено на рис. 2.Микроманометр состоит из резервуара (1), заполненного спиртом, наклонной трубки(2), в которой находится столбик спирта, показывающий перепад давления. Наклонная трубка соединяется с резервуаром, шкала(3), показывает угол наклона трубки к горизонтали, 4- винты, для установления горизонтальности микроманометра.

.

Рис.2.Устройство микроманометра.

Увеличение чувствительности и точности отсчета в этом манометре достигается тем, что вертикальный столб жидкости высотойА, соответствующий измеряемой разности давлений (Р₁–Р₂), заменяется наклонным столбом протяженностью l, причем

l = h/sin α,

отсюда

h=l*sin α

а перепад давления равен h, высоте, которую необходимо перевести в Па.

Шкала, по которой производится отсчет показаний микроманометра, обычно располагается непосредственно на наклонной трубке.

Микроманометр заливается этиловым спиртом с плотностью ρ= 789,3 кг/м³. Для удобства пользования микроманометром в его конструкции предусмотрено несколько фиксированных положений наклонной трубки, соответствующих значениям к_м= 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8.

Установка микроманометра в горизонтальное положение производится с помощью имеющихся на его основании уровней.

Подача воздуха через слой осуществляется тепловым пистолетом 5 (рис.3 и 4).

Рис.3 Тепловой пистолет: А- сопло, Б -насадки

2.2. Правила работы с пистолетом:

• Во избежание получения травмы при работе с тепловым пистолетом, не направляйте поток горячего воздуха на людей животных или на себя.

• Перед работой включите тепловой пистолет и дайте ему поработать на холостом ходу.В случае обнаружения шумов, не характерных для нормальной работы инструмента или сильной вибрации, выключите тепловой пистолет, отсоедините вилку шнура питания от розетки электрической сети. Не включайте тепловой пистолет до выявления и устранения причин неисправности.

Рис.4 Устройство теплового пистолета.

1-сопло 2-корпус 3-крышка задняя 4--выключатель 5-рукоятка 6- подставка 7- сетевой шнур питания

• Не прикасайтесь к нагревающимся частям инструмента

• Оберегайте тепловой пистолет от падений

• Не допускайте неправильной эксплуатации шнура питания теплового пистолета. Не тяните за шнур при отсоединении вилки от розетки. Оберегайте шнур от скручивания, заломов, нагревания, попадания масла, воды и повреждения об острые кромки. Не используйте шнур питания теплового пистолета с поврежденной изоляцией.

• Содержите тепловой пистолет и сменную оснастку в чистоте и исправном состоянии

• Если двигатель теплового пистолета не запускается или внезапно останавливается при работе, сразу же отключите тепловой пистолет. Отсоедините вилку сетевого шнура питания от розетки электрической сети.

2.3. Подготовка к работе и регулировка. Переключение режимов (рис.4).

Рис.4 Переключение режимов работы пистолета

• В рукоятке (5)-рис.3. установлен четырех-позиционный выключатель (4)-рис.4., предназначенный для переключения режимов работы.

• В таблице З даны соответствующие значения температуры воздуха на выходе из сопла (1)-рис.3 и расхода воздуха каждому значению четырехпозиционного выключателя (4)-рис.4

• Тепловой пистолет модели «ПТЭ-2000/ДП» обладают возможностью плавной регулировки температуры воздуха выходящего из сопла (1) во «II» и «III» положении выключателя (4).

Параметры теплового пистолета приведены в таблице 1.

Перемещение выключателя (4) из положения «II» в положение «III» и обратно изменяет расход воздуха (табл. 1).

Таб. 1

Положение выключателя	Модель теплового пистолета
	ПТЭ-1700/3	ПТЭ-2000/ЭП	ПТЭ-2000/ДП
	Диапазон температур на выходе из сопла
0	выключено	выключено	выключено
1	800С/500л/мин	800С/250л/мин	800С/250л/мин
11	3500С/500л/мин	800С/250л/мин	800С/250л/мин
111	6000С/500л/мин	80-6000С/500л/мин	80-6000С/500л/мин

2.4.Работа пистолета

• Точная установка температуры при работе с пистолетом ПТЭ-2000/ДП (Рис.5).

Внимание! В положении «I» выключателя (4) точная настройка температуры не производится.

• Выберите, необходимый для проведения работ расход воздуха установив четырехпозиционный выключатель (4) в положение «II» или «III»

• Кнопками (9) и (10) на задней крышке (3) с символами *-» и «+» установите необходимую температуру воздуха на выходе из сопла (1) в диапазоне 80 - 600 °С с точностью до 10 °С.

• Проконтролируете выставленную температуру по дисплею (11) на задней крышке (3

Рис.6. Задняя крышка пистолета.10- 11-дисплей

Примечание: Мерцание спирали нагревательного элемента при работе пистолета не является неисправностью. Мерцание свидетельствует о работе системы поддержания заданной температуры.

Избегайте длительной работы пистолета!

Рис.7 Общий вид установки.

3. Порядок проведения работы

1.Собрать установку, как показано на рис.2..

2.3асыпать материал в цилиндрическую ёмкость до высоты 21см.

3.Измерить комнатную температуру электрическим термометром, давление воздуха в аудитории барометром и записать показания в таб.2.

Таб.2.

Комнатная температура	Атмосферное давление газа ( по барометру)
0С	мм.рт. ст.	Па

4.Измерить температуру окатышей по высоте слоя с помощью термопар, для этого необходимо переключать измеритель температуры последовательно на термопары всех уровней. Записать показания в таб.3

Таб. 3.

Комнатная температура	Температура газа по слоям (начальная)
0С	Т01		Т02		Т03		Т04
	мВ	0С	мВ	0С	мВ	0С	мВ	0С

5.Начинать работу с пистолетом при любых температуре и расходе необходимо обратиться к настройкам пистолета на необходимую температуру и расход.

6.Выставить температуру 90⁰, расход 500л/мин. Продувать материал до тех пор, пока температура в нижних рядом лежащих слоях не станет приблизительно равной, при этом измерять и записывать через 10 минут перепад давления по слоям и температуру одновременно. Результаты занести в таблицу 4 и 5.

Таб.4.

Время	Расход, Q	Перепад давления в слое
мин	л/мин	Показания микроман., в нижнем слое.		Показания микроман., в среднем слое мм вод. ст		Показания микроман., в верхнем слое мм вод. ст		Примечания
		мм вод. ст	Па	мм вод. ст	Па	мм вод. ст	Па

Таб.5.

Время	Расход, Q	Температура газа по слоям
мин	л/мин	Термоп. №1		Термоп. №2		Термоп. №3		Термоп.. №4		Темпер.перед слоем
		мВ	0С	мВ	0С	мВ	0С	мВ	0С	0С

7. Изменить в настройках работы пистолета температуру 100⁰, расход 500л/мин., провести измерения согласно пункту 5, результаты занести в таблицу.5.

8.После достижения соответствующей температуры в слоях, переключить пистолет на температуру газа 110⁰С и провести те же измерения, что и в пункте 5, результаты занести в таб.5.

9. Включить пистолет. Повторить пункты выполнения 1-4.

После охлаждения окатышей до комнатной температуры (2-е занятие) провести следующий эксперимент.

Затем изменить настройки работы пистолета на температуру 80⁰С и расход 250л/мин и выполнять действия согласно пунктам 5-7 .Результаты занести соответственно в таблицы 4 и 5.

10. Все расчеты подробно представить в отчете и результаты занести в таблицы.

4.Обработка экспериментальных данных

I.Расчет коэффициента газодинамического слоя материала.

1. Определить значения среднего диаметра сыпучего материала

2.Рассчитать значение плотности воздуха (ρ _г) в слое с учетом температуры и давления по формуле:

ρ_г= 1,293 (273,2/T) (Ps /P_о)

Р_а – атмосферное давление воздуха, Па; атмосферное давление посмотреть по барометру. Рs - среднее давление в слое, Па.

Ps= P_о +∆P

∆P определяется по манометру для слоя ,Т - температура проведения опыта, К.

3. Порозность рассчитать по формуле (2), данные по плотности окатышей взять из справочника[2].

4. Рассчитать скорость газа в материале по формуле (7), используя формулу (6).

5.Рассчитать теоретический коэффициент сопротивления плотного слоя по формуле(10),значение числа Рейнольдса по формуле (12). При этом необходимо учитывать, что плотность меняется в зависимости от температуры и давления, а вязкость от температуры (значения вязкости взять из справочника).

6. Второе значение теоретического коэффициента сопротивления газодинамического слоя находим из формулы (8), при этом значения перепада давления по высоте слоев определяются по формуле (10).

7.Экспериментальное определение значения коэффициента из формулы (8), в которую перепад давления берется из экспериментальных данных для каждой высоты слоя, расхода и температуры.

8.Определяем относительное отклонение рассчитанных значений коэффициента газодинамического слоя и экспериментальных. Расчеты погрешностей представить в отчете.

При этом относительное отклонение:

δ=(λ)_э-( λ)_т/( λ)_э

8.Все расчеты провести подробно и результаты записать в таблицу.

II. Сравнить расчетные и экспериментальные данные по температуре в плотном слое.

1.По формуле (16) рассчитать объем газа, прошедшего через плотный слой.

2.Массу сыпучего материала в плотном слое определить по формуле (18).

3.Рассчитать температуру в разных слоях материала при продувке его горячим газом, используя формулу (21).

4. Расчеты представить в отчете и результат занести в таблицу 6.

5. Для определения температуры с помощью термопар необходимо воспользоваться таблицей , в которой приведено соответствие показаний милливольтметра температуре.

4. Построить графики зависимости перепада давления в слое от высоты слоя, расхода газа,зависимости температуры слоя от высоты.

7.Построить график зависимости распределения температуры окатышей по высоте слоя в зависимости от температуры газа.

8.Сделать выводы:

A).О влиянии высоты слоя плотного слоя на перепад давления в нем.

Б).О влиянии расхода воздуха, перепада давления, высоты слоя на температуру в слое.

B)О расчетных и экспериментальных данных по температуре в плотном слое .

Динамическая вязкость воздуха

Таб. 6

Температура, С	0	15	25	50
μ , 10-6 г/(см с)	172,0	179,0	183,7	195,5

Определение температуры по термопарам

Таб. 7

№ п/п	мВ	Температура,0С
1	0	0
2	0,65	10
3	1,31	20
4	1,98	30
5	2,66	40
6	3,35	50
7	4,05	60
8	4,76	70

T ок	0С
λ
∆Р3	Па
∆Р2	Па
∆Р1	Па .
Показания термопар	Тп3	0С
	Тп2	0С
	Тп1	0С			Таблица8 6
	Tперед	0C
V	м3/с
Н	см
Вре мя	мин

Таблицу переделай Сделай как обычно!

Контрольные вопросы:

1.Как можно определить коэффициент сопротивления плотного слоя?

2.. Как зависит коэффициент газодинамического сопротивления от расхода газа?

3.Что влияет на коэффициент газодинамического сопротивления окатышей?

4. 0т чего зависит перепад давления в слое?

5.Как влияет порозность материала на потери давления в слое?

6.0т чего зависит охлаждение плотного слоя?

7Как происходит теплообмен в плотном слое?

8.0т чего зависит температура слоя?

9.Какие принимаются допущения при рассмотрении теплообмена в неподвижном плотном слое?

10. 0собенности в передаче тепла в системе «зернистый слой - воздух»

11.Чему равна относительная погрешность определения перепада давления в плотном слое?

12.Как зависит коэффициент газодинамического сопротивления от температуры?

Литература

1.Тимофеева А.С.,НикитченкоТ.В.,ТимофеевЕ.С.Экстракция черных металлов из природного и техногенного сырья,-г.Старый Оскол, ООО «ТНТ».-320с

2.Тимофеева А.С.,Федина В.В. Справочник теплофизика-металлурга.- ТПО «Роса»,-2008г.-280с.

Но для выполнения работы студентами необходимо знать коэффициент потерь тепла. Нами был проведен целый ряд экспериментов, в результате расчетов получили значения усредненного коэффициента потерь тепла.

Согласно лабораторной работе были сняты показания термопар и микроманометра в точках на различных высотах. Причем, эксперименты проводились при температурах продуваемого газа 80⁰С, 90⁰С,100⁰С и при расходах 250 л/мин и 500 л/мин. Зная температуру газа и окатышей в начале эксперимента, затем температуру газа (замер с помощью термопар) в каждом слое через 10 минут, температуру внешней и внутренней стенок сосуда, время, в течение которого продувается слой, размеры сосуда, материал, из которого выполнен сосуд и его теплофизические характеристики, определили потери тепла в окатышах. Усредненный коэффициент потерь тепла равен 0,3. При проверке на эксперименте расхождение расчетной и измеренной температуры составила 0,8⁰С.

Данная лабораторная работа может выполняться для студентов любого направления обучении, даже не металлургического (только при этом заменить слой окатышей другим материалом).

20

Код для цитирования: Скопировать