Лекция 7: Движение газов в рабочем пространстве печей. Тягодутьевые устройства
1.Причины движения газов. Свободное и вынужденное движение.
Важнейшими процессами, протекающими в рабочем пространстве металлургических печей, являются процессы теплообмена. От них зависят все (или почти все) основные качественные и количественные показатели работы печей. Работа и конструкция печи должны выполняться так, чтобы в ее рабочем пространстве обеспечивался наиболее рациональный режим теплообмена. Достижению этого должны быть подчинены такие процессы, как процессы сжигания топлива, движения газа и т. п.
Процессы движения газов теснейшим образом связаны с процессами теплообмена. От них зависят интенсивность и равномерность нагрева металла, стойкость футеровки печи. Неправильная организация движения раскаленных газов в рабочем пространстве печи может служить причиной не только ухудшения работы печи, но и выхода ее из строя.
Движение газов в рабочем пространстве промышленных печей бывает естественное (свободное) и вынужденное. Причиной свободного движения является разность плотностей объемов газа, находящихся при разной температуре. Это «вялое» движение с малыми скоростями. Вынужденное (принудительное) движение происходит под действием внешних сил (струи, вентилятор). Ему присущи высокие скорости, оказывающие влияние на процессы теплообмена. При этом струи топлива и воздуха, выходящие из форсунок и горелок, являются в современных печах основным фактором, влияющим на характер движения газов. Это не означает, конечно, что естественное движение в печах не существует. Оно существует, но играет подчиненную роль. По мере развития печей изменялась и роль дымовой трубы. Из устройств, оказывающих большое влияние на движение газов в печи и одновременно с этим предназначенных для удаления дымовых газов, современные дымовые трубы выполняют, по существу, только вторую роль. В настоящее время в ряде случаев, когда необходимо создать большое разрежение, применяют различные дымососы (прямого и непрямого действия), оставляя дымовой трубе роль канала, через который удаляется дым в атмосферу в соответствии с санитарными нормами. Это делается в тех случаях, когда пришлось бы строить крайне дорогие чрезмерно высокие дымовые трубы или когда дымовая труба вообще не приемлема.
2. Свободные струи, их свойства.
При отоплении современных металлургических печей жидким и газообразным топливом часто применяется так называемый факельный метод сжигания. Факелом называют промышленное пламя, образованное струями топлива и воздуха. В силу этого аэродинамической основой теории факела является теория струй.
Различают струи свободные, ограниченные и частично ограниченные. К свободным относятся струи, которые истекают в пространство, не ограниченное стенками. Ограниченные струи развиваются в пространстве, стесненном стенками.
Свободные струи. Свободная струя называется затопленной, если она истекает в среду с той же плотностью. Это условие выполняется в печах лишь частично, так как рабочий объем печи обычно заполнен раскаленными продуктами сгорания. Поэтому возможны такие случаи, когда среда струи имеет плотность, отличающуюся от плотности среды, в которой она распространяется. Если ось затопленной струи является продолжением оси насадка, из которого она истекает, то при неравенстве плотностей ось искривляется вверх (плотность струи меньше плотности среды) или вниз (плотность струи больше плотности среды).
Wm=WH Wm< WH
начальный основной участок
участок
рис. 1 Схема распределения скоростей в различных сечениях свободной струи
Свободная затопленная струя (рис.1) обладает рядом характерных свойств, одним из которых является постоянство количества движения по длине струи, т. е. mw=const.
При движении турбулентной струи в результате поперечных пульсаций развивается массообмен между окружающей средой и струей. В результате этого масса струи по ее длине увеличивается. Процесс турбулентного перемешивания, сопровождающийся увеличением массы струи, требует определенных затрат энергии ( окружающая среда относительно неподвижна). Поэтому кинетическая энергия и скорость струи по мере удаления от выходного сечения постепенно падают. Однако падение кинетической энергии и осевой скорости струи происходит неодинаково. Объясняется это тем, что скорость начинает уменьшаться, прежде всего, на периферии струи. Постепенно падение скорости распространяется по всей толщине струи и достигает ее оси. Поэтому в начале струи осевая скорость на определенном участке остается неизменной и равной скорости истечения. Этот участок называется начальным участком струи, тогда как следующая за ним вся остальная часть струи называется основным участком.
Наряду с постоянством количества движения отличительной особенностью свободной затопленной струи является также постоянство давления в ее объеме. Опыты показывают, что центральный угол раскрытия круглой струи может изменяться в пределах от 20 до 24*, а изменение относительной скорости по длине струи подобно для любых начальных скоростей и любых сопел.