Движение газов в рабочем пространстве

Металлургических печей

Причины движения. Свободное и вынужденное движения

Важнейшими процессами, протекающими в рабочем пространстве металлургических печей, являются процессы теплообмена. От них зависят 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 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 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. При этом естественное движение в печах 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.

Струи

При отоплении современных металлургических печей жидким и газообразным топливом 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.

2.2.1.Свободные струи.

Свободная струя называется затопленной, если она истекает в относительно неподвижную среду с той же плотностью. Это условие выполняется в печах лишь частично, так как рабочий объем печи обычно заполнен нагретыми 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 насадки, из которой она истекает, то при неравенстве плотностей ось искривляется вверх (плотность струи меньше плотности среды) или вниз (плотность струи больше плотности среды).

Свободная затопленная струя (рис. 12) обладает рядом характерных свойств, одним из которых является постоянство количества движения по длине струи, т. е. . При движении турбулентной струи в результате воздействия сил трения, вязкости и 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 (рис. 13). Однако падение кинетической энергии и осевой скорости струи происходит неодинаково. Объясняется это тем, что скорость начинает

уменьшаться прежде всего на периферии струи. Постепенное 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 18 до 24°, а изменение относительной скорости по длине струи подобно для любых начальных скоростей и любых сопел. Таким образом, для всех этих случаев зависимость будет иметь аналогичный характер. Здесь — расстояние данного сечения от сопла струи, м; — радиус сопла, м; — скорость в данном сечении, м/с; — начальная скорость истечения, м/с; — экспериментальная константа, для круглой струи равная 0,07—0,08.

Изменение осевой скорости круглой струи может быть определено из формулы Г. И. Абрамовича:

.

2.2.2. Частично ограниченные струи. Струйные аппараты

(инжекторы и эжекторы).

С практической точки зрения наибольшее значение имеют два случая частично ограниченных струй: струи, соприкасающиеся со стенками, и струйные аппараты. В некоторых печах необходимо, чтобы факел на его определенной длине касался поверхности нагреваемого или расплавленного металла. В этом случае возникает вопрос о дальнобойности струи. Опытами установлено, что дальнобойность такой струи зависит от угла встречи струи и поверхности. Если струя направлена вдоль стенки и касается поверхности (угол встречи равен нулю), то такая струя более дальнобойная, чем свободная струя. Это объясняется тем, что поверхность соприкосновения струи с атмосферой в этом случае меньше и струя затрачивает меньше энергии на захват массы из окружающей среды. Если в дальнейшем увеличивать угол встречи струи и поверхности, то дальнобойность струи уменьшается и факел растекается по поверхности.

Свойство струй захватывать окружающую среду используют в струйных аппаратах. Простейший струйный аппарат состоит из смесителя и сопла (рис. 14). Поток, выходящий из сопла, называется рабочим. Рабочий газ (или жидкость), выходя из сопла с высокой скоростью, образует струю, которой стенки смесителя не позволяют захватывать окружающую атмосферу. Поэтому струя вовлекает в движение только среду, находящуюся перед входом в смеситель. Поток, вовлекаемый в смеситель, называется инжектируемым.

В отличие от свободной струи расход газа вдоль смесителя остается постоянным. Поскольку с удалением от сопла профиль скорости выравнивается, количество движения вдоль смесителя убывает. Но, согласно уравнению импульсов, это означает, что давление вдоль смесителя возрастает.

Название струйных аппаратов зависит от назначения. Аппараты, в которых создается высокое разрежение перед смесителем, называют эжекторами. Аппараты, в которых давлением инжектируемой среды изменяется незначительно, называют инжекторами.

Важной характеристикой работы инжектора является объемная и массовая кратность инжекции.

Чем эффективнее работает струйный аппарат, тем выше кратность инжекции.

Чтобы увеличить кратность инжекции, входную часть смесителя выполняют в виде конфузора, а выходную – в виде диффузора. Конфузор позволяет уменьшить потери при входе инжектируемой среды в смеситель. При расширении в диффузоре хотя и уменьшается выходная скорость , но значительно увеличивается выходное сечение, благодаря чему увеличивается , что равноценно увеличению и, следовательнго, .

Размеры струйного аппарата зависят от его назначения.При малом значении аппараты высоконапорные. Но, создавая значительный перепад давления по длине смесителя, они не могут развивать большую кратность инжекции. При большом значении аппараты могут развивать значительную кратность инжекции и создавать относительно небольшой перепад давлений. Оптимальное отношение , позволяющее получить максимальный перепад давлений при заданной кратности инжекции, можно определить с помощью рис. 15. Основной целью расчета струйных аппаратов является определение скорости истечения рабочего газа из сопла . Для успешной работы струйного аппарата эта скорость должна быть весьма большой (100 м/с и более). Обеспечение такой скорости требует весьма высокого давления газа. Это обстоятельство несколько сдерживает практическое применение подобных устройств.

Остальные размеры следующие:

Длина смесителя и длина диффузора	(4 – 6)
Угол раскрытия диффузора, град	6 – 9
Угол сужения входного конфузора, град	30-45
Длина входного конфузора	(0,5 – 1,5)

2.2.3. Ограниченные струи.

Характерной особенностью ограниченных струй является то, что они развиваются в камере, размеры которой соизмеримы с размерами струи (рис. 16). В начале камеры струя развивается аналогично свободной струе и также вовлекает в движение окружающую среду. Но поскольку стенки камеры препятствуют свободному притоку газа из атмосферы, в области корня струи создается разрежение. В конце струи, наоборот, наблюдается •повышенное давление. Таким образом, ограниченная струя развивается в направлении повышения давления, что и создает возможность для возникновения циркуляционных потоков газа в направлении от хвоста струи к её истоку.

Рис.16. Схема ограниченной струи

Для характеристики

Рис. 20. Геометрические параметры инжектора: 1 – рабочее сопло; 2 – конфузор; 3 – смеситель; 4 - диффузор

интенсивности циркуляции газов введена кратность циркуляции , где - секундный массовый расход газа в сечении (см. рис. 16); - секундный массовый расход газа в сечении ; ( - масса циркулирующего газа.

2.2.4.Вентиляторы и дымососы

В практических условиях часто встречаются случаи, когда необходимо нагнетание или отсасывание газа при помощи специальных устройств. К таким устройствам относятся вентиляторы и дымососы.

Применение искусственной тяги бывает необходимо при больших сопротивлениях дымового тракта или при недостаточной тяге существующей дымовой трубы. При низкой температуре дымовых газов (не более 673—723 К) обычно применяют центробежные дымососы (отсасывающие вентиляторы) прямого действия. При более высоких температурах используют косвенную тягу, при которой струя газов (воздух, пар) эжектирует (отсасывает) отходящие газы.

В качестве дымососов прямого действия (рис.17) используют центробежные вентиляторы, обеспечивающие подачу воздуха под давлением, превышающим 10 000 Па. Вентиляторы, выполненные из обычной углеродистой стали, могут работать при температурах, не превышающих 523 К. Вентиляторы специальной конструкции, выполненные из жаропрочной стали, могут работать при температуре дыма до 673 – 723 К. Однако значительные затраты энергии и зачастую недостаточная долговечность работы ограничивают их применение. Вентиляторы выбирают по таблицам или номограммам в зависимости от расхода газов ( , м³/ч) и суммарных потерь напора в сети с учетом запаса, равного 25 - 30%.

Номограммы составлены для воздуха с температурой 293 К, поэтому при выборе вентиляторов для перемещения газа или воздуха с другой температурой заданное давление (Па) необходимо пересчитать по формуле

Мощность на валу вентилятора (кВт) определяется по формуле

.

;

где - к.п.д. вентилятора.

Мощность электродвигателя обычно принимают на 15% больше мощности на валу вентилятора.

В основе тяги косвенного действия (рис. 17, б) лежит принцип эжекции, сущность которого рассмотрена выше. Струйные аппараты могут быть использованы как на отсос, так и на нагнетание. Если осуществляется отсос дымовых газов, то струйный аппарат работает как дымосос косвенного действия.