Файл: Невский, Александр Сергеевич. Применение теории подобия к изучению тепловой работы нагревательных печей.pdf

опор, ввода топлива и воздуха, эвакуации газов и др. должны

быть сходственными в модели и образце.

2. Горение в модели следует организовать так, чтобы соблю­

сти по возможности подобие полей тепловыделений.

.3. Должно быть соблюдено подобие полей вектора массовой

скорости или величин 7 wC' при входе топлива и воздуха в ка­ меру.

4. В модели и образце должны быть подобны поля абсолют­

ных температур топлива и воздуха при поступлении в камеру.

5.Движение нагреваемого материала в модели должно быть организовано таким образом, чтобы имело место подобие полей его скоростей в образце и модели.

6.При выборе нагреваемого материала для модели следует по возможности обеспечить соблюдение в образце и модели по­

образце и модели подобие полей его абсолютных температур при входе в камеру.

8.Должно быть обеспечено подобие полей плотностей резуль­ тирующего излучения по поверхностям второго и третьего рода.

9.Должно быть соблюдено подобие полей абсолютных темпе­ ратур охлаждаемых неизолированных поверхностей.

10.Должно быть соблюдено равенство поглощательных спо­ собностей всех сходственных поверхностей, граничащих с излу­ чающим объемом.

Кроме соблюдения всех этих требований, должно быть выпол­ нено равенство определяющих критериев по формулам (186).

Это последнее условие позволяет выбрать размеры модели, тол­ щину кладки и изоляцию охлаждаемых поверхностей, нагревае­ мый материал и параметры работы модели.

Первоначально следует разрешить вопрос о приблизительном масштабе модели и об организации процесса горения, будет ли

сжигание топлива проводиться с подачей воздуха или с подачей

газовой смеси, обогащенной излучающими газами. Для этого необходимо прежде всего подсчитать для образца величину (или

■яз, то топливо можно сжигать с подачей атмосферного воздуха.

Величины коэффициентов избытка и подогрева воздуха в об­ разце и модели могут быть взяты одинаковыми или различными.

Этот вопрос должен решаться вместе с вопросом о выборе нагре­ ваемого материала в модели (по коэффициенту теплопроводно-

102

сти) и с вопросом о температурной стойкости материалов, из ко­ торых будет выполняться модель. В первом случае теоретическая температура горения и все температуры в излучающей систе­ ме (нагреваемого материала, среды, ограничивающих поверхно­ стей) будут одинаковыми в сходственных точках образца и мо­ дели. Во втором случае выбор коэффициента избытка воздуха и подогрева топлива и воздуха должен быть сделан таким обра­ зом, чтобы критерий тс' был одинаков в образце и модели.

В соответствии с этим для каждой величины коэффициента из­ бытка воздуха будут получаться свои значения подогрева возду­ ха и топлива. При малых величинах подогрева воздуха и горю­ чего влияние критерия ~'2 очень незначительно. Поэтому воп­

рос о равенстве в образце и модели этого критерия может не рассматриваться.

Температура подачи нагреваемого материала в камеру на­ ходится по принципу равенства для образца и модели критерия

тт

При этом также необходимо, чтобы общий характер зависимо­ сти коэффициента теплопроводности материала от температуры был одинаков в образце и модели.

В формуле (250) и в последующих для обозначения физиче­ ских величин в модели применяется нижний индекс м, для образ­

ца эти величины пишутся без индекса.

При одинаковой теоретической температуре горения величина коэффициента теплопроводности нагреваемого материала в мо­ дели должна быть во столько раз меньше, чем в образце, во

сколько раз сама модель по линейному масштабу меньше образ­

ца. После того как выбран нагреваемый материал для модели,

необходимо проверить насколько удачно удовлетворяются за­ висимости (206) или (207) для коэффициентов теплопроводности

и теплоемкости нагреваемого материала в образце и модели. Не­ обходимо найти средние значения коэффициентов теплопровод­

10

Если для образца известна температура газов в конце камеры, то

Критерии Тсб и ~7 ставят определенные требования к изоли­ рующим свойствам кладки, пода и охлаждаемых поверхностей.

из них определяет изолирующие свойства 'ограждений и изоля­ цию охлаждаемых поверхностей, а второй — величину температу­ ры охлаждающей среды. При равенстве в образце и модели тео­ ретической температуры горения, величина К должна быть в них также одинакова. В связи с этим изоляционные материалы ограждений модели должны быть мало теплопроводными. В тех случаях, когда эти требования по качеству материала не могут

быть удовлетворены, можно рекомендовать искусственный подо­ грев стен. При расчете такого подогрева необходимо исходить

из условия равенства критериев "е и iu7.

При выборе изоляции для глиссажных и опорных труб исхо­ дят из выше изложенного принципа, только в этом случае ве­

104

где

Z' s>3

не представляется возможным. Однако, как уже отмечалось вы­ ше, критерий Я8 в большом диапазоне изменения критерия Рей­ нольдса остается постоянным.

34. Пример моделирования методической печи

Требуется построить модель методической нагревательной печи, изображенной на рис. 5, для нагрева заготовок длиной 4 м,

сечением 250 X 250 мм из углеродистой стали 2. Температура ме­ талла при посадке 20° С, при выдаче из печи 1200° С. Произво­ дительность печи 28,5 т/час.

Печь отапливается смесью коксового и доменного газов с со­

держанием в сухом газе: 7,8% СО2; 21,6%' СО; 0,2% О2; 19,1% Н2; 7,0%' СН4; 0,6% С2Н4; 43,7% N2; содержание влаги-

30 г/нм?-, низшая теплотворность сухого газа 1828 ккал/нм3-, тем­ пература газа 35° С, расход его 7500 нм31час по сухому газу. Коэффициент избытка воздуха в конце печи а=1,05. Температу­ ра продуктов горения в конце камеры 700° С. Теоретически не­

обходимое количество воздуха подогревается до 600° С и подает­ ся вместе с газом. Горючая смесь подается в трех местах каме­ ры: в сварочную зону А—45%; в нижнюю камеру В—30% и в томильную камеру С—25%’. 5%' теоретически необходимого ко­ личества воздуха поступает в виде присосов при температуре 20° С. Активная площадь пода печи 14,25 X 4 = 57 м2. Конструкция стен камеры, свода и пода дается ниже. Глиссажные и опорные

трубы имеют наружный диаметр 114 мм, они покрыты шамотно­

105

й

Рис. 5. Методическая нагревательная печь (к примеру моделирования).

При подобном преобразовании пространства печи величина S определится по формуле (249). При масштабе печи 1/3,5 величи­

шение увеличить вертикальный масштаб модели до 0,4 при основном масштабе печи 1/3,5. Подсчитываем для этих условий величину 6 модели. Получаем:

Свободная высота печи при этом будет не ниже 280 мм. По­ добные условия должны обеспечить автомодельность процесса по критерию ic3.

Во всех подсчетах принимается полное горение в камере. По

общеизвестным формулам газового анализа определяем следую­

тг' = —- = 0,2855.

2301

Топливом для модели служит тот же газ, что и для печи. Бу­ дем ориентироваться на то, чтобы коэффициент избытка воздуха

в модели был одинаков с коэффициентом избытка воздуха в об­ разце. При этом теоретическая температура горения, температу­ ры топлива и воздуха, а также и температура нагреваемого ма­ териала будут одинаковы для модели и образца.

Затем нужно выбрать материал для нагрева в модели. По со­ отношению (250) определяем коэффициент подобного преобра­ зования для поля теплопроводности

Сх = Ьц = с, = 1/3,5 = 0,2857.

х1

107