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

нормаль к поверхности нагреваемого материала в местах его со­ прикосновения с подом или опорами.

Некоторое количество тепла теряется излучением через откры­

тые окна и гляделки. Будем считать, что это количество тепла определяется по закону Стефана-Больцмана и что температура при этом принимается локальная, соответствующая месту распо­ ложения открытого отверстия. Коэффициент излучения примем равным константе излучения абсолютно черного тела. Будем так­

где Г,,— локальная температура, определяющая потерю тепла излучением;

Ки — коэффициент, учитывающий долю времени в течение которого отверстие остается открытым.

Для перехода от плотности результирующего излучения к ко­

личеству тепла, отданного излучением, для всех рассмотренных случаев теплоотдачи в камере печи остается справедливым урав­

нение (119).

14.О влиянии гидродинамики, горения

имассообмена на работу печи

Рассмотрим процессы, происходящие в излучающей камере

при горении газового топлива. Для сгорания топлива необходимо

в первую очередь обеспечить контакт горючего и воздуха. Если

газ и воздух подаются в камеру раздельно, то этот контакт обес­ печивается явлениями молекулярной и турбулентной диффузии.

При высоких температурах, имеющих место в камерах печей, ско­ рость протекания реакций горения газового топлива много больше скорости перемешивания горючего с воздухом. Поэтому следует думать, что развитие процесса горения определяется в основном перемешиванием горючего газа и воздуха. В этом отношении

очень убедительными являются опыты К. Руммеля [11].

Из вышеизложенного видно, что при горении газового топлива основную роль играют явления гидродинамики. Эти явления оказывают влияние на теплообмен излучением как через процессы

42

горения, обеспечивая ту или иную скорость их протекания, так и непосредственно через общую направленность движения среды в камере.

Необходимо также отметить, что при очень высоких темпера­ турах в камере развиваются обратные реакции, замедляющие

процессы горения.

В большинстве случаев нагревательные печи работают при турбулентном режиме. Вследствие этого массообмен осуществ­ ляется в основном турбулентным (а не молекулярным) переносом

вещества.

Весьма вероятно, что турбулентный перенос вещества играет значительную роль и в самом теплообмене излучением, являясь одним из факторов, обеспечивающих приток энергии, развиваю­ щейся в зоне сгорания топлива к лучевоспринимающим поверх­ ностям. К сожалению, явления турбулентности мало изучены и поэтому в настоящее время еще не удается правильно оценить их

влияние на тепловую работу печи.

Явления движения и перемешивания газов внутри камеры

условия бывают очень различны не только для различных типов печей, но даже и в одном типе. Количество горелок, места их

установки, распределение нагрузки между ними, скорости ввода топлива и воздуха, угол наклона горелок, наличие предваритель­ ного перемешивания топлива с воздухом — все эти факторы

создают значительные различия в гидродинамике, превосходящие те различия, которые определяются при рассмотрении внутрен­ него механизма явлений. Это тем более справедливо, что движе­ ние газов бывает в большинстве случаев в автомодельной обла­ сти [7]. Специальные исследования по перемешиванию газов [12]

показывают, что и явления перемешивания автомодельны в очень большом диапазоне изменения числа Рейнольдса. Наоборот, ха­ рактер пограничных условий по вводу горючего и воздуха в камеру очень сильно влияет на процесс перемешивания. Характер смешения газов в камере горения меняется в зависимости от угла между струями газа и воздуха, от скорости их ввода и от удара

Некоторые исследователи описывают движение газов в камере уравнением Навье-Стокса. При этом величины скорости, входя­ щие в члены уравнения, берутся усредненными. В таком виде это уравнение применимо только к случаю ламинарного движения и его использование применительно к камерам печей следует счи­ тать в значительной мере условным. Добавление к этому уравне­ нию членов с пульсационными составляющими обобщает его на случай турбулентного потока, однако в этом случае добавляется

шесть новых неизвестных, которые не определяются из системы

43

уравнений. Последняя оказывается в этом случае незамкнутой. Самые условия однозначности для системы уравнений гидроди­ намики, определяющие единичное распределение скорости в камере, не могут быть точно сформулированы. Из изложенного следует, что в настоящее время еще не представляется возмож­ ным дать при помощи уравнений удовлетворительное описание явлений гидродинамики в печных камерах.

Из уравнения Навье-Стокса получаются два определяющих критерия: Рейнольдса и Фруда. Первый из них определяет влия­

вынужденным, этот последний критерий обычно не учитывается. Большинство исследователей, при рассмотрении явлений излуче­ ния в камерах, принимают влияние критерия Рейнольдса. Мы по­ лагаем, что это является излишним как в связи с гидродинамиче­

ской автомодельностью процессов, происходящих в печах, так и в следствие того, что это влияние всегда будет ничтожно малым по сравнению с влиянием пограничных условий, которые при этом вообще никак не учитываются.

Многие исследователи при рассмотрении явлений горения в

излучающих камерах применяют уравнение действующих масс и уравнение Аррениуса и получают соответствующие определяю­

щие критерии. Мы считаем такой подход неправильным, так как определяющим в горении является в основном не скорость проте­ кания химических реакций, а скорость смешения горючего и воздуха. В этом последнем явлении доминирующую роль играет процесс турбулентного переноса, который определяется главным

образом пограничными условиями по вводу горючего и воздуха. К сожалению, эти условия еще не могут быть сформулированы с достаточной полнотой и ясностью. При сжигании жидкого топ­ лива характер явлений значительно сложнее и в таких случаях,

возможно, существенную роль играют также и физико-химические процессы, которые связаны с химическими превращениями веще­ ства. Однако рассмотрение вопроса и здесь вряд ли можно огра­

ничить уравнениями Аррениуса и действующих масс.

15.Исходные положения при применении теории подобия

кисследованию лучистого теплообмена

Впредыдущем изложении рассматривались уравнения излуче­

ния и уравнение нагрева металла. Если поставить задачу—всеобъ­

емлюще рассмотреть работу печи, то следовало бы при помощи уравнений описать явления гидродинамики, горения, диффузии, турбулентного обмена в рабочем пространстве печи, записать уравнения, описывающие теплообмен в кладке печи, в поду, в опорах, описать уравнениями работу воздухоподогревателей

44

и т. д. Такой анализ представляет очень большие трудности и на данной стадии рассмотрения явлений вряд ли может быть осу­

ществлен. Основным препятствием к этому являются очень боль­

шие трудности в построении полной системы уравнений и четкой формулировке условий однозначности. Кроме того, при попытках подобного анализа, вводится в рассмотрение большое количество факторов, являющихся второстепенными, что чрезвычайно за­

трудняет проведение исследования. Наличие большого количества факторов затрудняет нахождение основных зависимостей про­ цесса.

В последующем анализе мы будем рассматривать работу только рабочего пространства печи, не исследуя одновременно работу вспомогательных агрегатов и теплообмен в кладке, опо­ рах и поду. При таком рассмотрении необходимо в качестве усло­ вий однозначности принять: поля плотностей результирующего теплообмена или излучения на поверхностях второго рода и пода,

поля температур неизолированных охлаждаемых поверхностей

и поля температур топлива и воздуха, поступающих в камеру.

При анализе теплообмена в рабочем пространстве можно ограни­ читься рассмотрением явлений излучения и нагрева металла в соответствии с уравнениями (98), (109), (116), (117), (118), (119), (120), (121), (122), (123), (124), (125) и (126). Явления гидродинамики, массообмена и горения рассматриваться не будут.

Приняв такие положения, следует в качестве условий однознач­

ности принять поле тепловыделения и поле величины у w в объе­ ме камеры печи. Эти поля будут разграничивать явления излуче­

ния с явлениями гидродинамики, массообмена и горения. Для первых они будут определяющими, а для вторых определяемыми. При такой постановке вопроса все исследование работы простран­ ства печи производится как бы в два приема: во-первых, изучение

поле тепловыделений.

Вусловия однозначности необходимо также включить:

1)геометрические характеристики систем: форма объема печи; расположение лучевоспринимающих поверхностей, опор, кладки, открытых отверстий в камере печи, поверхностей входа топлива и воздуха в камеру, отвода продуктов горения и поверх­ ностей входа и выдачи металла;

2)поле оптических констант среды в объеме рабочего прост­

ранства печи (для серого излучения это ограничивается заданием

поля коэффициентов поглощения), поля теплопроводности и теплоемкости нагреваемого материала в занимаемом им объеме, поля теплоемкостей среды и коэффициентов турбулентного обме­ на и поля поглощательных способностей всех облучаемых поверх­ ностей.

45

ГЛАВА IV

АНАЛИЗ РАБОТЫ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

16. Уравнение баланса и теоретическая температура горения1*

Согласно закону сохранения энергии, количество тепла, вво­ димого в камеру печи (с топливом, воздухом и форсуночным

паром), равно количеству тепла, пошедшему на нагрев металла,

1ф—теплосодержание форсуночного пара, ккал/кг.

При сжигании твердого топлива всегда имеется механическая

неполнота горения, состоящая из потерь топлива со шлаком, с

провалом через колосники и из потерь топлива с золой, уносимой с уходящими из установки дымовыми газами.

В. Н. Тимофеева и К. М. Похалуева: «Методика испытания нагревательных печей». Отчет ВНИИТ, 1955.

47