Общая теория тепловой работы и конструкций печей

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГТУ "МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ"
"Утверждаю"
Проректор по учебной работе В.П.Соловьев
"____" ______________ 2007 г.
ПРОГРАММА
УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
“ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ
И КОНСТРУКЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧЕЙ”
для подготовки бакалавров техники и технологии по направлению
"Металлургия"
профиль
"Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей"
Москва 2007
Аннотация
Изучение дисциплины "Общая теория тепловой работы и конструкции промышленных печей" направлено на получение знаний, связывающих
теоретические основы металлургической теплотехники с проблемами совершенствования конструкций и показателей работы промышленных печей
различного технологического назначения. Владение методологией общей
теории тепловой работы печей позволяет решать широкий круг задач совершенствования тепло-технологических процессов в металлургии.
Курс "Общая теория тепловой работы и конструкции промышленных
печей" является неотъемлемой частью основной образовательной программы подготовки бакалавра по профилю "Теплофизика, автоматизация и
экология промышленных печей".
1. Цель обучения
Научить:
Моделировать и анализировать общие закономерности тепловых процессов в промышленных печах, применять полученную информацию для
совершенствования тепловой работы печей и экономии топлива
2. Приобретаемые умения и навыки на основе полученных знаний
для формирования частных компетентностей и свойств личности:
умения:
применять методологию общей теории тепловой работы печей для
анализа и совершенствования процессов, осуществляемых в промышленных печах (Л.№1 - 5, С .№ 2 , КП) – СЛК, ОПК-2, ИК-1, СПК-4;
описывать и анализировать процессы тепло- и массообмена в ЗТП
печей различного назначения, обеспечивающие выполнение требуемых
тепло-технологических операций (Л.№ 6 - 9, ПЗ.№1, С.№ 2, КП) - ИК-1,
ОПК-2, СПК-4;
корректировать режимы нагрева и плавления различных сплавов с
учетом их теплофизических характеристик (Л.№ 10 - 14, Л.№ 23 - 26, С.№
6, ПЗ.№8 - 9, КП) - ИК-4, ОПК-4, СПК-3;
составлять технические требования к разработке инновационных
конструкций промышленных печей различного технологического назначения (Л.№ 10 - 14, Л.№ 23 - 26, С.№ 6, ПЗ.№8 - 9, КП) - ИК-4, ОПК-4, СПК3;
выбирать при проектировании наиболее целесообразную конструкцию промышленной печи для осуществления заданной технологической операции и рассчитывать ее основные проектные характеристики
(Л.№ 10 - 26, ПЗ.№8 - 9, С.№ 2 - 6, КП,) - ИК-4, ОПК-3 и 4, СПК-3;
2
формулировать алгоритм расчета основных конструктивных характеристик реконструируемой печи(Л.№ 10 - 14, Л.№ 23 - 26, С.№ 6,
ПЗ.№8 - 9, КП) - ИК-4, ОПК-4, СПК-3;
обосновывать сделанный выбор необходимыми расчетами параметров тепловых процессов в печах (Л.№16 - 21, ПЗ.№1 - 6, КП) - ИК-5,
ОПК-4, СПК-4 и 5.
навыки:
- самостоятельной работы с научно-технической литературой для поиска информации (в том числе через ИНТЕРНЕТ) о тенденциях развития
конструкций промышленных печей различного технологического назначения и о теплофизических характеристиках твердых, жидких и газообразных
тел, используемых при расчетах тепловых процессов - (КП) ИД.
- подготовки и выполнения иллюстративного и графического материала (с использованием современных информационных технологий) - (КП).
приобретения новых знаний и самосовершенствования - ИД, СЛ.
3. Объем дисциплины и виды учебной работы (170 часов)
Вид учебной работы
Общая трудоемкость
Аудиторные занятия
Лекции(Л)
Практические занятия
(ПЗ)
Семинары (С)
Самостоятельная работа
Курсовой проект(КП)
Итоговый контроль
Зачетных
единиц
6
170
85
51
17
Табл. 1
Часы в семестрах
7
8
170
85
51
17
17
65
17
65
Всего часов
20
Экзамен
20
3
20
4.Содержание учебной дисциплины
41. Разделы дисциплины и виды занятий
№
Раздел дисциплины
Лекции
ПЗ
С
1
Основные понятия и общие
характеристики тепловой работы печей
Тепло- и массообмен в ЗТП
печей различного технологического назначения
Конструкции и особенности
тепловой работы печей различного технологического
назначения
Типовые модели-схемы тепловой работы печей, их разновидности и анализ
Применение положений общей теории тепловой работы
печей при математическом
моделировании и выполнении расчетов с учетом задач
энергосбережения и защиты
окружающей среды
10
2
2
8
2
2
12
2
2
10
2
2
11
2
3
2
3
4
5
Табл. 2
ЛР
4.2. Содержание лекционного курса
(51 час)
Раздел.1. Основные понятия и общие характеристики тепловой работы
промышленных печей /1а, 2а/
(10 часов)
1.1. Введение. Задачи общей теории тепловой работы печей и ее значение для современной металлургической теплотехники; предмет и метод
общей теории тепловой работы печей. Главные зоны печей: зона технологического процесса (ЗТП) и зона генерации тепла (ЗГТ). Основные элементы конструкций промышленных печей. Определяющие и определяемые
процессы в печах. Классификация режимов работы печей и их конструкций.
1.2. Температурный режим печей и его основные разновидности. Коэффициент использования энтальпии продуктов сгорания. Теплообмен
между газами и металлом при различном характере их взаимного движения.
Прямоточный, противоточный и камерный режимы, их сопоставление.
4
1.3. Тепловой режим работы печей. Тепловая нагрузка, коэффициенты форсирования и предельного регулирования. Коэффициенты использования энергии и полезного использования тепла, их физический смысл и
взаимосвязь.
1.4. Тепловой баланс печи как выражение закона сохранения энергии.
Особенности структуры теплового баланса печей периодического и непрерывного действия.
1.5. Производительность печи, ее связь с полезным теплоусвоением,
коэффициентом полезного использования тепла, геометрическими размерами рабочей камеры печи и длительностью технологического процесса.
Определение времени осуществляемого в печи технологического процесса
из решений внешней и внутренней задач теплообмена для ЗТП. Принципы
общей постановки и сопряжения этих задач.
Раздел 2. Тепло- и массообмен в ЗТП
печей различного технологического назначения /1а,3а/
(8 часов)
2.1. Общие характеристики и требования к технологии нагрева твердых тел, явления при нагреве. Выбор рациональных режимов нагрева твердых тел в печах. Применение решений задач теплопроводности для описания и расчета процессов нагрева. Особенности расчета при несимметричном нагреве и при анизотропии теплофизических характеристик твердых
тел.
2.2. Общие характеристики и особенности протекания плавления в
условиях различных технологических процессов в металлургии. Постановка и пути решения задач динамики плавления при удалении расплава и при
его накоплении на поверхности плавящегося тела.
2.3. Постановка и пути решения задач нагрева и плавления твердых
тел, погружаемых в расплавы
2.4. Тепло и -массообмен при протекании сушки. Характеристики и
условия протекания процесса сушки, его основные периоды, их анализ и
принципы расчета.
Раздел 3. Конструкции и особенности тепловой работы промышленных печей разного технологического назначения /2а/
(12 часов)
3.1. Доменные печи. Характеристики газодинамических и тепло и
массообменных процессов в доменной печи. Изменение температуры шихты и газов по высоте доменной печи.
3.2. Сталеплавильные агрегаты с теплогенерацией за счет химической
энергии жидкого металла. Общие характеристики. Тепловые процессы в
конвертерах; роль дутья, способы продувки, показатели работы. Конструк5
ции и тепловая работа конвертеров черной и цветной металлургии. Тепловые процессы в футеровке конвертеров и ее служба.
3.3. Топливные нагревательные печи прокатных цехов, их тепловая
работа, методы отопления, способы загрузки, транспортировки и выгрузки
металла. Методические печи с различным числом зон. Толкательные печи и
печи с шагающим подом и шагающими балками. Печи с вращающимся подом.
3.4. Топливные печи для нагрева металла при термообработке. Особенности нагрева металла при термической обработке и способы отопления
печей. Термические печи периодического и непрерывного действия, их характеристики, конструкции и тепловая работа.
3.5. Конструкции и тепловая работа основных типов печей цветной
металлургии. Подовые плавильные печи. Отражательные печи медной
плавки; анодные печи, печи для плавки в жидкой ванне.
3.6. Общие вопросы тепловой работы электрических печей, применяемых в различных отраслях промышленности. Взаимосвязь способа теплогенерации и конструкции печи. Печи сопротивления различного технологического назначения, особенности их конструкции и принципы расчета
нагревательных элементов.
Раздел.4. Типовые модели - схемы работы печей-теплообменников различного технологического назначения /1а/
(10 часов)
4.1. Области существования различных режимов работы печейтеплообменников. Радиационные режимы. Роль пламени и кладки в лучистом теплообмене в рабочем пространстве. Равномерно распределенный
радиационный режим, особенности теплообмена, выбор топлива и способа
его сжигания, механика газов. Применение печей с равномерно распределенным радиационным режимом.
4.2. Прямой направленный радиационный режим. Особенности теплообмена, выбор топлива и способов его сжигания, механика газов. Применение печей с прямым направленным режимом радиационного теплообмена.
4.3. Косвенный направленный радиационный режим. Особенности
теплообмена, выбор топлива и способов его сжигания, механика газов.
Применение печей с косвенным направленным радиационным режимом.
4.4. Конвективный режим работы печей. Проточный и циркуляционный варианты конвективного режима. Рециркуляция и ее оптимальная
кратность. Выбор топлива и способов его сжигания, механика газов. Применение этих печей.
4.5. Фильтрационный вариант конвективного режима работы печей,
их особенности, показатели тепловой работы и основные разновидности.
6
Кипящий и взвешенный слой. Теплообменные процессы между газом
и твердыми частицами и между слоем и окружающими его поверхностями.
Выбор топлива и способов сжигания. Применение печей с кипящим и
взвешенным слоем.
Раздел 5. Применение положений общей теории
тепловой работы печей при математическом моделировании
и выполнении их расчетов /1а/
(11 часов)
5.1. Общая теория тепловой работы печей как основа для построения
математических моделей тепловых процессов в промышленных теплотехнологических агрегатах. Пути применения моделей тепловой работы печей для расчета их основных теплотехнических параметров и конструктивных характеристик.
5.2. Проблемы энергосбережения и защиты окружающей среды при
эксплуатации промышленных печей; пути их решения в рамках принципов
и положений общей теории печей
5.3. Постановка и анализ комплексной задачи энергосбережения и
защиты окружающей среды
5.4. Конструкции, расчет и области применения современных теплообменников.
5.5. Численный анализ и сопоставление конструкций современных
промышленных теплообменников с целью нахождения оптимальных решений задач энергосбережения и защиты окружающей среды.
4.3. Перечень тем практических занятий
Семестр 7
(17 часов)
Табл. 3
№
Наименование
Кол-во
часов
1
2
Расчет теплового баланса печи периодического действия
Расчетное сопоставление прямоточной и противоточной картины
теплообмена при движении теплоносителя и нагреваемого материала
2
3
4
5
6
7
8
Расчет динамики плавления термически тонких тел с удалением и
накоплением образующегося расплава
Расчет динамики сушки капиллярно-пористых тел
Расчет нагрева термически тонкого тела при конвективной теплоотдаче к его поверхности
Особенности расчета нагрева термически тонкого тела при теплоотдаче излучением к его поверхности
Выбор режимов нагрева термически тонких и термически массивных
твердых тел
Расчет процессов теплообмена в футеровке печей периодического и
непрерывного действия
7
2
2
2
2
2
2
3
4.4. Перечень тем семинарских занятий
Семестр 7
(17 часов)
№
Наименование
1
Методология общей теории тепловой работы печей и их
классификация
Сопоставление и анализ режимов тепловой работы печей
периодического и непрерывного действия
Расчет размеров рабочей камеры промышленной печи
Физические и физико-химические процессы при нагреве
металла
Методы энергосбережения с утилизацией теплоты продуктов сгорания, уходящих из рабочих камер печей
Радиационные режимы тепловой работы печей, их разновидности и анализ для условий печей различного технологического назначения с радиационным теплообменом
между ЗТП и ЗГТ
Конвективные режимы тепловой работы печей, их разновидности и анализ для условий печей различного технологического назначения с конвективным теплообменом между ЗТП и ЗГТ
3
4
6
7
8
Табл. 4
Кол-во
часов
2
2
2
2
2
2
3
Табл. 5
Программой учебной дисциплины лабораторные занятия не предусмотрены.
5. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
5.1. Рекомендуемая литература
а) Основная литература
1а. Глинков М.А., Глинков Г.М. Общая теория тепловой работы печей. - М.: Металлургия, 1990. - 264 с.
2а. Теплотехника металлургического производства, т.1 /под редакцией В.А.Кривандина. - М.: МИСИС, 2002. - 607 с.
3а. Теплотехника металлургического производства, т.2 /под редакцией В.А.Кривандина. - М.: МИСИС, 2002. - 734 с.
б). Дополнительная литература
1б. Мастрюков Б.С. Расчеты металлургических печей. М.: Металлургия, 1990. - 264 с.
8
5.2. Средства обеспечения освоения дисциплины
Компьютерные программы расчетов нагрева металла в промышленных печах различного технологического назначения
5.3. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Компьютерный класс кафедры ТЭМП МИСиС.
5.4. Перечень заданий для самостоятельного выполнения
Семестр 7
Задания
Реферат
Задания
Курсовой проект
Срок выдачи
Срок сдачи
(№ недели)
(№ недели)
8
15
Семестр 8
Срок выдачи
(№ недели)
2
Срок сдачи
(№ недели)
15
Табл. 6.7
Номера разделов дисциплины
5
Табл. 6.8
Номера разделов дисциплины
2,3,4
5.5. Примерный перечень тем курсовых проектов
1. Проект сталеплавильной дуговой электропечи.
2. Проект кислородного конвертера для выплавки стали.
3. Проект отражательной печи для плавки медных концентратов на
штейн.
4. Проект воздухонагревателя доменной печи
5. Проект методической толкательной печи для нагрева слябов перед
прокаткой.
6. Проект печи с шагающими балками для нагрева слябов перед прокаткой.
7. Проект печи с шагающим подом и с плоскопламенными горелками
для нагрева заготовок сортопрокатного стана.
8. Проект печи с кольцевым подом для нагрева трубных заготовок
9. Проект печи с кольцевым подом для нагрева колесных и трубных
заготовок.
10. Проект печи с роликовым подом и радиационными трубами для
термообработки стального листа
11. Проект протяжной печи для термообработки стальной полосы.
9
12. Проект колпаковой печи для термообработки рулонов.
13. Проект секции нагрева башенной протяжной печи.
14. Проект печи с выкатным подом для отжига непрерывно-литых слябов.
15. Проект конвейерной печи для нагрева стальных заготовок перед
ковкой.
5.6. Перечень контрольных мероприятий
Вид контрольного
Мероприятия
Срок проведения
(№ недели)
Контрольная работа №1
(в тестовой форме)
Контрольная работа №2
(в тестовой форме)
4
Табл. 7
Контролируемый объем
учебного курса
(№№ разделов)
2
12
4
Программа составлена в соответствии с требованиями проекта Государственного образовательного стандарта подготовки бакалавра в области
техники и технологии по направлению "Металлургия" (профиль Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей).
Авторы программы:
д.т.н., профессор кафедры ТЭМП Ю.П. Филимонов
к.т.н., доцент кафедры ТЭМП С.Н. Шибалов
Программа одобрена на заседании кафедры теплофизики и экологии
металлургического производства, протокол № ___ от _________ 2007 г
Зав. кафедрой _____________________ проф. И.А. Прибытков
10