Файл: Несенчук А.П. Пламенные печи для нагрева и термообработки металла учеб. пособие.pdf

Одной из основных характеристик газовой струи с точки зрения ее влияния на движение газа в рабочем объеме печи является ее дальнобойность. Причем, чем длиннее струя, тем на большие участ­ ки объема зоны можно распространять ее влияние. На рис. 4.4 при­ ведена схема свободной струи. Струя газа, выходящая в неограни­ ченное пространство, заполненное газообразной жидкостью с теми же физическими свойствами, называется свободной.

Рис. 4.4. Общий вид свободной струи:

В соответствии с литературой [40] дальнобойность свободной струи устанавливается зависимостью

где do — диаметр кратера горелочного устройства, из которого вы­ текает струя греющих газов;

Wo— начальная скорость истечения.

Если газовую струю вводить не в свободный объем, а вдоль стенки (затопленная струя), то при одних и тех же значениях d0 дальнобойность затопленной струи значительно увеличивается. При стелющейся по стенке затопленной струе присоединение к ней газов из печного объема происходит только с одной стороны, обращенной к рабочему объему. В этом случае формироваться будет только одна половина струи, но радиус полуокружности затопленной струи бу­ дет в два раза больше, чем у свободной, вследствие чего ее дально­ бойность увеличивается примерно в два раза.

Средняя скорость в любом сечении свободной струи может быть подсчитана по формуле [40]:

Го

95

где а — константа, а= 0,07 —0,08;

I— расстояние от кратера до рассматриваемого сечения; Го— радиус кратера горелочного устройства.

Отношение объема газа, проходящего через произвольное сече­ ние струи, к начальному объему греющего газа, вытекающего из кратера, устанавливается формулой

(4.31)

где V — общий объем в рассматриваемом сечении струи:

Ѵ=Ѵо+Ѵіг

Ѵі — объем присоединенных газов; / и do — то же, что и в формуле (4.30).

Присоединение массы газов рабочего пространства печи к ядру первичного греющего газа происходит следующим образом. Прохо­ дя через малоподвижную массу печных газов, вихревые массы тур­ булентной струи выходят за ее пределы и, встречаясь на своем пути с неподвижной массой; передают ей часть своей энергии, тем самым вовлекая ее в свой поток. Объемы неподвижных печных газов, по­ падая в струю, увеличивают ее массу и уменьшают скорость. При этом зависимость между увеличением массы и уменьшением ско­ рости такова, что произведение движущейся массы струи на ско­ рость (количество движения) остается практически постоянным:

Как видно из рис. 4.4, тормозящее действие вовлеченных порций печных газов постепенно передается к оси струи.

Участок струи, на котором осевая скорость остается неизменной и равной скорости истечения из кратера Wo, называется начальным (wr=Wo). За начальным участком следует так называемый основ­ ной. На этом участке скорость потока уменьшается во всех точках сечения, в том числе и на его оси.

Как правило, в печах свободному развитию струи греющих газов препятствуют стенки рабочего объема. Струя получается за­ топленной и благодаря влиянию стенок захват печных газов из-за ограниченности объема рабочей камеры не компенсируется прито­ ком из других мест рабочего пространства, что приводит к возникно­ вению разрежения вблизи поверхности струи. При этом наименьшее давление будет у места входа струи в рабочий объем зоны. Учитывая сказанное, следует, что струя развивается в направлении повышения давления. Такая неравномерность давлений по длине струи приво­ дит к интенсивному перемещению печных газов к ее основанию, обеспечивая тем самым постоянную циркуляцию газов (рис. 4.5). С увеличением w0 циркуляция газов возрастает, а с увеличением рабочего объема печи — уменьшается. Вследствие этого в печах,

96

такое распределение статического давления по длине рабочего про­ странства зоны оказывает исключительно большое влияние на ра­ боту зоны печи. Неравномерность распределения статического дав­ ления приводит к тому, что в одних местах печи устанавливается разрежение, под действием которого через окна и неплотности в кладке в печь засасывается холодный воздух, а в других ее частях

Рис. 4.5. Схема движения газов в зоне выдержки методической печи

устанавливается избыточное давление, вызывающее выбивание про­ дуктов горения. Засос холодного воздуха снижает коэффициент использования топлива т]и.т, вызывает увеличение угара металла

и его охлаждение. Выбивание продуктов сгорания также снижает т]и.ті ухудшает условия обслуживания печи (к примеру торца за­ грузки методической печи), преждевременно выводит из строя эле­ менты кладки, каркаса и арматуры.

Наряду с указанными факторами неравномерности распределе­ ния статического давления по длине печи способствует импульсное действие струй греющих газов (факелов), а также снижение темпе­ ратуры печных газов по их ходу к борову (методические и другие печи). Снижение температуры газов по длине печи приводит к повы­ шению статического давления. При постоянном сечении рабочего пространства увеличение статического давления может быть подсчи­ тано по выражению

Та.п

где А Га.ц — снижение температуры газов; Та.п — средняя температура печных газов;

Рд-— динамический напор движущихся печных газов.

В простейшем случае при горизонтальном расположении горелочных устройств и совпадении направления струи с потоком печ­ ных газов, увеличение статического давления вследствие импульс­ ного действия струи можно записать [41]:

где Wo— скорость истечения струи из кратера горелочного устрой­ ства;

ро — плотность греющих газов при Гг; роі — то же, но при нормальных условиях;

рог — плотность печных газов при температуре Га.п;

fr— площадь кратеров горелочных устройств зоны (при парал­ лельной работе);

Fр.п — сечение рабочего пространства печи.

Как видно из выражения (4.34), статическое давление возрас-

/г

тает с увеличением отношения —— . Следовательно, для снижения

Fр.п

давления печных газов у окна загрузки металла целесообразно либо увеличить высоту рабочего пространства, или же снизить скорость т>оувеличением диаметра кратера горелочных устройств.

Полагая, что вблизи пода дымовые газы имеют минимальную температуру, избыточное давление в этом месте принимается рав­ ным нулю. По мере удаления от пода к своду печи температура продуктов сгорания топлива возрастает до некоторого своего мак­ симального значения (в соответствии с температурным графиком), и лишь у самого свода (вследствие теплоотвода) ее величина не­ сколько снижается. С ростом температуры наблюдается уменьшение плотности газа (в направлении от пода к своду печи), а следова­ тельно, статическое давление в этом направлении между окружаю­ щим воздухом и дымовыми газами в печи должно увеличиваться. Так как давление окружающей среды неизменно и равно В, то по­ вышение статического давления возможно лишь за счет возрастания давления в направлении от пода к своду.

Изменение гидростатического давления столба воздуха высотой в 1 м в зависимости от его температуры иллюстрируется рис. 4.6. В соответствии с этим рисунком увеличение давления столба дымо­ вых газов (за счет повышения температуры дымовых газов по вы­ соте печи) высотой в 1 м может быть рассчитано так:

где рсвг и рсво — соответственно статические давления воздуха при

температуре газов и окружающей среды, (рис. 4 .7 ) ;

рг и рв — соответственно плотности дымовых газов и окру­

где h — высота рабочего пространства, считая от уровня пода.

98

Для обеспечения хорошей работы печи нужно, чтобы давление газов в ее рабочем пространстве было равно атмосферному (стати­ ческое давление рс должно быть равно нулю) или несколько выше атмосферного (порядка 0,5—3 кГ/м2). Это требование вызвано недостатками работы печи, обусловленными подсосами холодного атмосферного воздуха, а также выбиванием горячих газов из печи.

Рсб,

В высокой печи вследствие влияния геометрического напора невозможно поддерживать атмосферное давление по всей высоте. Если атмосферное давление поддерживать на уровне пода, то под сводом будет некоторое избыточное давление (4.36); если же атмос­ ферное давление поддерживать под сводом, то в печи будет разре­ жение, что вызовет большие присосы атмосферного воздуха. Поскольку подсос в печь холодного воздуха приносит, как правило, больше вреда, чем выбивание газов из печи, целесообразно нулевое статическое давление поддерживать на уровне пода, а по высоте иметь некоторое избыточное статическое давление.

Как видно, организация движения газов в рабочем пространст­ ве пламенной печи имеет принципиальное значение. Вопросы совер­ шенствования тепловой работы печей, связанные с наиболее рацио­ нальным распределением по длине и высоте печи статического дав­ ления, а также интенсивностью теплообмена (о связи внешнего теплообмена с гидродинамическим сопротивлением будет сказано ниже), в значительной степени сводятся к выбору режима движения газовой среды.

Несомненно, вопросы, связанные с движением газов в рабочем пространстве печей, очень сложны. Аналитических решений, дающих какие-либо рекомендации по организации движения газов, в настоя­ щее время не имеется. Поэтому при разработке оптимального ва­ рианта тепловой работы печи широко используются данные экспери­ ментов с горячими и холодными моделями [42].

4.4. ВНЕШНИЙ ТЕПЛООБМЕН И ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ГАЗОВОГО ТРАКТА ПЛАМЕННОЙ ПЕЧИ

О. Рейнольдсом в 1874 г. впервые была высказана мысль о том, что относительные количества теплоты и движения, переданные одному и тому же элементу поверхности твердого тела, между собой равны. Под относительными количествами теплоты и движения сле­ дует понимать отношение количества, переданного телу, к полному запасу (к количеству, которое могло бы быть передано при полном исчерпании действующих разностей температур и скоростей). Впо­ следствии эта мысль была развита советскими учеными [43].

Количество теплоты, передаваемое единице поверхности в еди­ ницу времени (удельный тепловой поток)

где ак — коэффициент теплоотдачи конвекцией (интенсивность кон­ вективного теплообмена) от газов к садке, к ка л /м 2-ч-° С (в т /м 2-° К).

В свою очередь количество движения (по отношению к единице поверхности) измеряется силой сопротивления, отнесенной к еди­ нице поверхности садки, т. е. касательным напряжением у стенки т.

Полный запас теплоты и количества движения

где w — абсолютная скорость жидкости (стенка считается непод­ вижной и ее скорость принимается равной нулю).

Записываем условие равенства относительных количеств тепло­ ты и движения (по Рейнольдсу):

<7к _ т

(4.40)

Q - Г

Подставляя формулы (4.37) — (4.39) в выражение (4.40), запишем

где F — живое сечение канала.

Выражение (4.41) после сокращения принимает вид

ак _ т

(4.42)

cpyw РW2 '

Касательное напряжение т, входящее в формулу (4.41), выра­ зим через коэффициент гидродинамического сопротивления £.

100

Для этого рассмотрим равновесие элементарного объема жид­ кости (рис. 4.8). Пренебрегая весом элемента gnr2dl, записываем

условие равновесия

ѵ /г1 2 = /7з

или

—яг2р+ л/'2 (p-\-dp) =2япг//т.

Откуда

гdp

Подставляя выражение (4.45) в формулу (4.43), получаем

т=т рш2

или

101