Електронно – променевий нагрів.

Електронно-променеві печі працюють по принципу перетворення в теплоту енергії пучка електронів при взаємодії його з поверхнею тіла, що нагрівається. Електрони, емітовані катодом, розганяються електричним полем до великої швидкості і направляються на тіло. Виникнення і прискорення пучків електронів ефективно тільки в умовах високого вакууму.

Електронно – плавильні установки (ЕПУ) застосовують для отримання особливо чистих металів.

В комплект ЕПУ входить електронна пушка, в якій пучок електронів, емітованих катодом, формується електричними і магнітними полями, виводиться через отвір в аноді і направляється на метал, що нагрівається.

Потрапивши на поверхню металу, електрони проходять в його кристалічну решітку або рідку структуру сплаву. При цьому електрони взаємодіють як з кристалічною решіткою, так і з окремими атомами, молекулами і електронами. В результаті частина енергії електронного пучка переходить в теплову енергію, за рахунок якої температура металу піднімається і метал розплавляється.

Контрольні запитання:

1. Які існують типи електропечей?

2. Позначення електричних печей?*

3. Якими бувають нагрівальні елементи опору?

4. Які матеріали для нагрівачів застосовують?

5. Для чого застосовують ТЕНи?

6. Коли застосовують нагрівачі виготовлені литвом?

7. Як відбувається перетворення електричної енергії в теплову в дугових електропечах?*

8. Длячого використовують ЕПУ?

Література: 2, с. 150-155.

Р о з д і л 2. Основи механіки пічних газів.

Т е м а 2.1. Статика газів.

План

1. Поняття про механіку газів.

2. ЗаконГей – Люссака.

3. В'язкість газів.

4. Гідравлічний діаметр.

Поняття про механіку газів.

Механікою газівназивається наука про закони рівноваги і руху газів.

Передача теплоти від продуктів горіння до предметів, що нагріваються в паливних печах залежить від багатьох факторів, в тому числі від характеру руху продуктів горіння. Тому організація руху газів є однією з умов успішної роботи печі.

Рух газів в печах, теплообмінниках і т. д. підкоряється законам газової механіки, за якими також визначають опір, що надається рухомим газам в печах, каналах, трубопроводах, що зумовлюють вибір тягових пристроїв (димососів, вентиляторів, димових труб).

Рух газів в печах вивчають за допомогою законів руху рідини. Відомо, що об'єм рідини на відміну від об'єму газу практично не залежить від тиску і температури. Рух рідини достатньо вивчено. Якщо температура і напір рухомого газу постійні або змінюються незначно, то рух газу підкоряється законам руху рідини. Практика роботи печей дає підставу стверджувати, що напори газів в печах, що нагріваються змінюються дуже незначно і може вважатися постійними. Температура газів за обсягом печі змінюється значно, але поступово. Останнє дозволяє на ділянках печі невеликої довжини не враховувати впливу зміни температури на об'єм газів.

Отже, з відомим наближенням для вивчення руху газів в печах можна застосувати закони руху не стисненої рідини. У механіці рідин широко застосовують уявлення про ідеальною і реальною рідинах.

Ідеальноюназивають умовну рідину, яка не має внутрішнього тертя. Введення цього поняття значно полегшує математичний опис законів руху рідини.

Реальнірідини мають внутрішнє тертя, що значно ускладнює теоретичне і дослідне вивчення процесів їх руху.

Практика показала, що можна використовувати поняття ідеальної рідини при розгляді руху реальної рідини.

Закон Гей-Люссака

Залежність об ’єму і густини газу від температури описується законом Гей – Люссака :

При постійному тиску об’єм газу прямо пропорціональний, а густина обернено пропорцйна температурі.

V_t = Vo (1+ α t) ;

r_t=

де V_t : r_t- відповідно об’єм і густина газу при t ⁰C/ ( м³ ; кг/м³)

Vo: r_о -об’єм і густина газу при 0^оС

α- температурний коефіцієнт об’ємного розширення , доповнює 1/273К^-1

Закон збереження маси для газового потоку, що рухається, виражається наступним чином.

Кількість і швидкість газу, що проходить через канал, зв’язані з поперечним розрізом каналу відношенням:

де ω - швидкість руху газу;

V - об’ємні витрати газу , що протікає через канал (м/с);

F – площа поперечного розрізу каналу (м²)

Тоді G₁ = G₂ = G₃ = сопst.

а G = V r = ωFr

тому

Якщо r₁ = r₂ =r₃ = сопst

Гідравлічний діаметр

При проходженні газу через канали, що мають перетин будь-якої складної форми, їх діаметри виражають через так званий гідравлічний діаметр. Гідравлічним діаметром (м) називають відношення учетверенної площі вільного перерізу каналу до його периметру:

де F- площа розрізу каналу , (м²)

S- внутрішній периметр каналу, (м)

Для круглих труб d_гідр дорівнює їх внутрішньому діаметру .

Контрольні запитання:

1. Що називається механікою газів?

2. Чим відрізняється ідеальна рідина від реальної?

3. Що описує закон Гей-Люссака?

4. Як виражається закон збереження маси?*

5. Як впливає в'язкість газу на його рух?*

6. Як розраховується гідравлічний діаметр?**

Література: 1, с. 5-7.

Т е м а : 2.2. Визначення тисків

План

1. Визначення тисків.

2. Рівняння Бернуллі.

3 Визначення втрат тиску.

4. Витікання газів через отвір

1. Визначення тисків

Гази що знаходяться в стані спокою чи руху мають потенціальну і кінетичну енергію. В механіці газів цю енергію виражають тисками. Розрізняють геометричний, статичний і швидкісний (динамічний) тиск. Вимірюється тиск в Па.

Геометричний тиск виникає h_геом в результаті різниці густини легкого газу та оточуючого його важкого газу.

Посудина (рисунок 2) заповнена легким газом (ρ_г <ρ_в). Висота посудини Н. Внизу посудина відкритий і з'єднується з атмосферою. Проводимо дві умовні площини І-І та ІІ-ІІ. Зверху на посудину в площині І-І діє атмосферний тиск P₁. B площині ІІ-ІІ зверху вниз діє тиск P₁ плюс тиск стовпа газу в посудині. Знизу вгору на площину ІІ-ІІ діє тиск Р₂, рівний атмосферному P₁ плюс тиск навколишнього стовпа повітря заввишки Н. Різниця тисків Р₂ і P₁ буде геометричним тиском в Па стовпа легкого газу висотою Н в площині ІІ-ІІ:

Рисунок 2 – Виникнення геометричного тиску

Геометричний тиск знаходиться за формулою:

де , q – прискорення вільного падіння, 9,8 м/с;

Н - висота сосуду, (м);

r_в, r_г, -густина відповіднооточуючого повітряі газу, що знаходяться в сосуді.

Із формули видно, що Р_геом може бути із знаком “ + ”, “ - ”, чи дорівнювати нулю.

Статичний або п'єзометричний тиск h_ст представляє собою різницю тисків газу, укладеного в посудину, і навколишнього повітря. Він вимірюється U-подібним манометром, один кінець якого знаходиться під атмосферним тиском, а інший - приєднаний до посудини перпендикулярно до потоку газу (рис. 2).

Рисунок 3 – Вимірювання статичного та швидкісного тиску

де Ргаз – тиск в сосуді (Па)

Рпов. – атмосферний тиск (Па)

Швидкісний або динамічний тиск виражає кінетичну енергію газового потоку і залежить від швидкості і щільності газу:

Де ω_t та ω₀ - дійсна і умовна (при 0 ° C і 101,3 кПа) швидкості газового потоку.

густота газу при О⁰ С.

температурний коефіцієнт об’ємного розширення, дорівнює к ^–1;

t - температура ⁰ С.

Швидкісний тиск вимірюють диференціальним манометром,одне коліно якого розташоване назустріч потоку газу (визначає сумарний тиск h_cт і h_ск), a інше перпендикулярно до нього (визначає тільки h_ст). Різниця рівнів рідини в обох колінах манометра становить швидкісний тиск h_ск.

Втрачений тиск h_пот при русі газу утворюється в результаті тертя газового потоку об стінки каналу і місцевих опорів (повороти, розширення, звуження і т. д.). На подолання опорів витрачається кінетична енергія газу, яка виражається його швидкісним тиском.

Рівняння Бернуллі

Рівняння Бернуллі є вираженням закону збереження енергії стосовно до руху ідеального газу.

Воно сформульоване наступним чином: Для будь - якого розрізу трубопроводу чи каналу, по якому проходить газ, сума геометричного, статичного і швидкісного тисків є величина постійна.

Наприклад: по трубопроводу, що розташований горизонтально, проходить ідеальний газ(рисунок 4).

Рисунок 4 – До рівняння Бернуллі

Згідно рівняння Бернуллі для ідеального газу:

Р₁ геом + Р₁ст + Р₁шв = Р₂ геом + Р₂ст + Р₂шв = const

Тобто сума геометричного, статичного і швидкісного тисків в розрізах 1-1 і 2-2 одинакові.

При проходженні реального газу частина його енергії (швидкісний тиск) витрачається на переборення опору руху і переходить в Р вт, тобто

Р1 геом + Р1ст + Р1шв = Р2 геом + Р2ст + Р2шв + Рвт =const

Це рівняння, що виражає закон збереження енергії стосовно до руху реального газу, називають рівнянням тисків і застосовують у багатьох випадках на практиці.

3 Визначення втрат тиску.

Втрати тиску виникають в результаті втрати енергії газового потоку на тертя Ртр і місцеві опори Рм.

де - коефіцієнт тертя,

L – довжина труби (м)

d_г – гідравлічний діаметр (м)

для цегляних каналів = 0,05 : 0,06

для металічних труб = 0,02 : 0,03

Втрати тиску на місцевий опір :

де К – коефіцієнт місцевого опору.

Витікання газів через отвір

Витікання газів через отвори спостерігається при їх вибиванні із печі, роботі горілок, форсунок і т.д.

Кількість газу, що витікає через отвори залежить від тиску, під яким проходить витікання, площі і форми поперечного розрізу отвору.

Розглянемо витікання газу через отвори при постійній температурі .

а) отвір з гострими кромками.

Уявимо, що із сосуду великих розмірів (тиск газу в якому Р₁) газ витікає через отвір розрізом F в газове середовище з тиском Р₂

Визначити швидкість витікання газу.

Напишемо рівняння тисків для розрізів 1-1 і 2-2, що показані на малюнку.

Рисунок 5 – Витікання газу через отвір з гострими кромками

Температура газу постійна тому Р₁геом = Р₂геом. Втрати на тертя можна не брати до уваги. В цьому разі

(м/с)

де

(Па)

F₂ менше F через зжимання струї.

Відношення називається коефіцієнтом звуження струї.

Для тонких стінок = 0,63

Тоді кількість газу, що витікає через отвір з гострими кромками визначається по формулі :

(м³/с)

б) Витікання газу через циліндричну насадку з гострими кромками

(м³/с)

г) Витікання газу через насадку з закругленими кромками.

При витіканні газу через насадок з закругленими кромками втрат на звуження втрат струї немає.

Вибивання газів через відкриті вікна печей

При нормальному режимі роботи печі на її поді підтримується атмосферний тиск. По висоті печі цей тиск зростає. Кількість газів, що вибивається через вікно визначається по формулі

(м³/с)

де Н і В – висота і ширина вікна (м)

Контрольні запитання:

1. В результаті чого виникає геометричний тиск?

2. За якою формулою можна знайти геометричний тиск?

3. Що представляє собою статичний тиск?

4. Рівняння Бернуллі?**

5. В результаті чого виникають втрати тиску?

6. Від чого залежить кількість газу, що витікає через отвір?

7. По якій формулі визначається кількість газів, що вибивається через відкриті вікна печей?**

Література: 1, с. 7-11., 2, с. 30-36.

Тема: 2.3. Рух газів в печах та сушарках.

Вільною називається струя, рух якої викликаний різницею густини газів, які знаходяться в печі.

При витіканні із якої – небудь насадки і проходженні через нерухоме середовище, струя захоплює нерухомі частинки середовища в загальній потік. Частинки нерухомого середовища, потрапивши в струю, збільшують її масу і зменшують її швидкість. При цьому збільшення маси і зменьшення швидкості проходять так, що добуток маси, що рухається на її швидкість залишається постійним.

Ділянку струї, на якій осьова швидкість залишається рівною початковій швидкісті, називають початковою. ЇЇ довжина дорівнює 5,6 : 6 діаметрів насадки. За початковою ділянкою знаходиться основна, де зменьшується швидкість струї.

Для технічних розрахунків вважають, що струя являє собою конус (якщо кругла насадка). Кут розкриття вільної струї .

Струї можуть бути направленими паралельно, назустріч і під кутом одна до одної. При зустрічі струй відбувається зміна їх форми, напряму руху і перемішування. Деформація струй і їх перемішування буде тим більшим, чим більше кут зустрічі і більша швидкість струй. Якщо осі двух струй паралельні і знаходяться на невеликій відстані одна від одної, то при взаємодії струй буде зменьшуватись поверхність, через яку в струї поступає навколишнє середовище. В результаті цього кут розкриття струй зменьшиться, а далекобійність струї збільшиться.

Обмеженні струї.

Розглянемо особливості обмежених струй, що мають практичне значення.

Взаємодія струї з площиною.

Якщо струя направлена паралельно твердій площині, що розміщена на невеликій відстані від осі струї, то далекобійність струї збільшиться, струя буде стелитися по стінці, ця властивість струї називається настильністю.