- •Введение
- •Работа 1. Экспериментальное исследование условий псевдосжижения в системе дисперсный материал – газ применительно к работе печей для обжига в «кипящем слое»
- •Описание установки
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Результаты эксперимента и вычислений заносить в таблицу.
- •Работа 2. Определение характеристик воздухораспределительной системы горизонтального конвертера методом физического моделирования
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Работа 3. Исследование режима движения газов в печи взвешенной плавки на физической модели
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Свойства воздуха при 760 мм рт. Ст.
- •Работа 4. Экспериментальные исследования истечения воздуха при его нагреве
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Работа 5. Оценка условий подачи дутья в слой расплава при различных вариантах
- •1) Зона окисления – зона непосредственного контакта расплава с дутьевой струей:
- •Теоретический расход кислорода:
- •Соответственно расход воздуха при 21% кислорода:
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Работа 6. Исследование конвективной теплопередачи в металлургическом рекуператоре
- •Описание установки
- •П орядок выполнения работы
- •Работа 7. Исследование динамики свободной струи
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Работа 8. Исследование условий внедрения верхней непогруженной струи в слой расплава
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Работа 9. Моделирование электрического поля электрической печи для обеднения шлаков при различных вариантах состава шлака
- •Описание установки
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Работа 10. Экспериментальное исследование аэродинамических условий работы шахтной печи
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Работа 11. Определение аэродинамического сопротивления в трубопроводах различной конфигурации
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Работа 12. Исследование механического процесса многоподовой печи
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Средняя теплоемкость воздуха и газов
- •Свойства воздуха при 760 мм рт. Ст.
- •Содержание
Описание установки
Схема установки для экспериментальных измерений характеристик свободной струи приведена на рисунке 6.
Порядок выполнения работы
1. Определение коэффициента насадки . В устье насадки, по оси потока устанавливается тонкая трубка, воспринимающая суммарный напор, т.е. hст + hдин и передаваемый на один конец дифманометра. Статический напор в газовом потоке отбирается через отверстие диаметром менее 0,5 мм, высверленное в стенке насадки. Через штуцер отверстие соединено с другим концом U – образного манометра.
Следует иметь ввиду, что обычной пневмометрической трубкой точно измерить динамический напор в скоростном потоке не удается из-за искажения величины hст. в результате U – образный манометр производит алгебраическое суммирование напоров и показывает значение hдин = hдин + hст – hст. U – образным манометром производится измерение статического напора в ресивере, hст, через каждые 50 мм в.ст.
По значению hдин и hст вычисляется коэффициент потери напора к = hдин/hст, затем коэффициент насадки = .
2. Экспериментальное определение коэффициента «затухания» струи. Убрав из устья насадки трубку полного напора, при выключенной воздуходувке на устье насадки установить шарик от настольного тенниса диаметром 40 мм и весом 2,5 г. давление в ресивере постепенно увеличивать посредством управляющего автотрансформатора и измерять через каждые 50 кГ/м² U – образным манометром, при этом фиксируется соответствующая каждому давлению высота подъема шарика по измерительной рейке. Каждое деление рейки равно диаметру насадки d.
По измеренным значениям hст, весе шарика 2,5 г и размере активной поверхности с учетом обтекания 2,510-4 м², по формуле (8) вычислить значение коэффициента затухания.
По результатам измерений и вычислений составить таблицы 1 и 2 по форме.
Таблица 1.
№ |
Статический напор hст, кГ/м² |
Динамический напор hдин, кГ/м² |
Коэффициент потери напора к = hдин/hст |
Коэффициент насадки = |
|
|
|
|
|
Таблица 2.
№ |
Статический напор hст, кг/м² |
Скорость истечения Wи, м/сек |
Экспериментальное значение зат |
Высота подъема шарика х, мм |
Расчетное значение зат |
|
|
|
|
|
|
На основании данных таблицы 2 построить графики зат = ƒ(х) по данным эксперимента и по эмпирической формуле (9). Полученные результаты сопоставить между собой и дать объяснение их совпадению или расхождению.
Работа 8. Исследование условий внедрения верхней непогруженной струи в слой расплава
Необходимость применения в металлургии верхнего непогруженного дутья возникла с приходом в металлургическую практику кислорода. Современная технология кислородной продувки расплавов базируется на использовании водоохлаждаемых фурм, расположенных над поверхностью расплава и создающих одну или несколько высоконапорных струй, по направлению близких к вертикали, или несколько отклоненных от вертикали и направленных симметрично основной оси фурмы.
Вариант подачи дутья в виде вертикальной непогруженной струи реализован в вертикальных кислородных сталеплавильных конвертерах (КВК) различной емкости (от 10 до 400 тонн), а также в 30-тонных медеплавильных конвертерах на комбинате «североникель» и в 10-20-тонных конвертерах для рафинирования ферроникеля на Побужском никелевом заводе (Украина). Динамические характеристики непогруженной струи, ее ориентация относительно поверхности расплава решающим образом влияют на интенсивность физико-химического процесса, качество массо-теплопереноса в объеме расплава, формирование газового факела, вынос брызг из толщи расплава и условия эксплуатации водоохлаждаемых фурм.
Закономерности свободной затопленной струи. Свободной называется струя, которая при истечении не контактирует с какими-либо ограничивающими поверхностями. Затопленной считается струя, газовый состав которой по физическим свойствам практически одинаков со средой, в которую происходит истечение.
Закономерности формирования непогруженной струи определяются следующими условиями:
1. истечение непогруженной дутьевой струи происходит под давлением Р1 в рабочее пространство, заполненное газом, находящимся обычно при атмосферном давлении, то есть можно принять, что абсолютное давление среды Р2, в которую происходит истечение, равно 1 кГ/см2.
2. для верхней продувки, с целью обеспечения необходимого расхода дутья и достижения высокой скорости истечения, применяется высокое давление (5-20 кГ/см2), т.е. условия истечения соответствуют сверхкритическому режиму.
3. верхнее непогруженное дутье осуществляется через фурмы, снабженные системой охлаждения, поэтому дутье при истечении имеет низкую температуру (порядка 20). При этой температуре скорость свободной затопленной струи Wи, истекающей под давлением Р1 в среду, находящуюся под давлением Р2, равна:
Wи = , м/с (1)
где k – коэффициент, учитывающий адиабатический характер расширения газа при истечении. Для одноатомных газов k 1,67; для двухатомных k 1,4; для газов состоящих из трех и более атомов k 1,33; 1 – плотность газа перед насадкой, кГсек²/м4; Р1 – абсолютное давление перед насадкой, кГ/см2; Р2 – абсолютное давление в среде, куда происходит истечение, кГ/см2.
Расчет по формуле (1) выполняется только для сопла Лаваля. Для насадок другой формы при отношении давлений Р2/Р1 = 0,528 наступает критический режим. Начиная с момента наступления критического давления, скорость истечения в выходном сечении насадки остается постоянной.
Произведя необходимые вычисления, получим следующие рабочие формулы для подсчета скорости истечения газовой струи при достижении критического режима: для воздуха Wкр = 18 , для кислорода Wкр = 17 , м/сек. (2)
При использовании насадки типа сопла «Лаваля» скорость истечения из диффузора предельного значения не имеет и возрастает с увеличением давления Р1. Распространение дутьевой струи, истекающей из дутьевого сопла, подчиняется определенным закономерностям. Эти закономерности при сверхкритическом режиме различны для случаев истечения через насадку типа «Лаваля» и через простую цилиндрическую или сужающуюся коническую насадку:
- во-первых, скорость истечения для этих случаев вычисляется по разным формулам – для сопла «Лаваля» по формуле (1), для обычных насадок – по формуле (2).
- во-вторых, на начальном участке струи, составляющем 3-5 калибров насадки, при истечении через цилиндрическую или сужающуюся коническую насадку происходит разгон струи за счет расширения газа в осевом направлении. Количественная характеристика разгона струи определяется коэффициентом разгона:
разг = +1 или разг = 1,715 – 1,353 (3)
В соответствии с этим начальная скорость струи Wр при истечении через цилиндрическую или коническую насадку должна вычисляться по формуле: Wр = разг Wкр.
Наиболее целесообразной формой рабочей насадки дутьевого сопла следует признать насадку цилиндрической формы с закругленными краями и хорошо обработанной рабочей поверхностью.
Характеристики распространения газовой струи за пределами начального участка – на так называемом «основном участке» струи – от условий истечения уже не зависят. Скорость струи на этом участке по мере удаления от насадки уменьшается, а ее сечение увеличивается, что обуславливает коническую форму основного участка струи.
«Коэффициент затухания» определяется по эмпирической формуле Абрамовича:
зат = ,
где х - расстояние от насадки до «зеркала» ванны, d – диаметр насадки.
Скорость в любом сечении основного участка струи на расстоянии х от насадки можно подсчитать по формуле:
Wх = зат разг Wкр (4)
Диаметр струи на расстоянии х от насадки определяется по формуле:
D = d + 2хtg (5)
где – угол раскрытия струи 15-25.
Форма свободной струи наглядно иллюстрируется рисунком 7.
Условия внедрения струи в слой жидкости при верхнем вертикальном подводе дутья. Свободное истечение струи в слой жидкости при верхнем подводе дутья имеет место на участке от насадки сопла до поверхности расплава. Условия распространения свободной струи имеют строгое математическое описание и могут быть рассчитаны по простым формулам, приведенным ранее. Движение же газовой струи в слое жидкости строгого математического описания еще не имеет. Для расчетов условий внедрения струи в слой жидкости приходится прибегать к эксперименту, используя метод моделирования.
Рассмотрим условия проникновения вертикальной непогруженной газовой струи в слой жидкости по схеме на рис. 7.
В зависимости от формы дутьевой насадки рабочая скорость струи на ее начальном участке составляет для сопла «Лаваля» – Wи, для цилиндрической насадки – Wр. При встрече со слоем жидкости струя имеет скорость Wх, определяемую по формуле (4) и диаметр D, определяемый по формуле (5).
Динамический напор струи, действующий на поверхность жидкости, составляет, следовательно: , где – плотность газа, кГсек²/м4, а сила, действующая на площадку S = , будет равна: Рдин = hдинS, кГ
Под действием силы динамического напора в слое жидкости образуется кратер глубиной h. Этот кратер не имеет строгой геометрической формы, однако для некоторого упрощения можно допустить, что кратер имеет форму цилиндра диаметром D и высотой h.
Дно кратера, т.е. некая криволинейная площадка размером S’ находится под действием динамической силы: Рдин’ = hдин’S’. Поскольку часть энергии газовой струи, которой она обладает в момент соприкосновения со слоем жидкости, будет затрачена на преодоление сил внутреннего сцепления жидкости, удар газа о жидкость и на преодоление всех других сил, противодействующих входу струи в слой жидкости, Рдин’ < Рдин.
Пусть Рдин’ : Рдин = n, где 0 < n < 1.
Существование газового объема, образованного струей в слое жидкости возможно при условии равновесия силы динамического напора и силы, выталкивающей этот объем из слоя жидкости.
По закону Архимеда сила, выталкивающая газовый объем из слоя жидкости составит:
РА = V(ж - газ)g, где V – объем газа в кратере, м3; ж – плотность жидкости, кГсек²/м4; газ – плотность газа, кГсек²/м4.
Плотность газа обычно в тысячи раз меньше плотности жидкости, поэтому можно без особой погрешности записать:
РА = Vжg.
Объем газового кратера выразим формулой: V = khS, м3
где k – коэффициент, учитывающий неправильность формы кратера по сравнению с цилиндром.
РА = khSжg.
Уравнение равновесия сил: Рдин’ = РА или nРдин’ = РА, тогда
n S’= khSжg.
Не имея возможности точно определить размер площадки S’, выразим ее через S:
S’= mS, где m < 1, тогда mn S= khSжg
или = hжg.
Множитель объединим в общий безразмерный коэффициент = , который назовем критерием проникающей способности струи.
Получим: = hжg.
Умножим правую и левую часть уравнения на дробь и преобразуем =
В полученном выражении множитель есть не что иное, как выражение модифицированного критерия Архимеда, вычисленное относительно сечения струи в плоскости ее соприкосновения с поверхностью жидкости. Таким образом, имеем Аr = , откуда = .
Это выражение, устанавливая связь между двумя критериями через величины h и D, доступные для непосредственного измерения (при использовании прозрачных жидкостей), указывает на путь экспериментального исследования условий проникновения струи в слой жидкости.
Задачей моделирования является установление зависимости между двумя критериями, определяющими условия гидроаэродинамического взаимодействия газовой струи и слоя жидкости, в которую эта струя поступает – критерием Архимеда и критерием проникающей способности струи. Эту зависимость следует представить критериальным уравнением = f(Аr), справедливым для любых подобных между собой явлений.