Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE \* MERGEFORMAT 1
Закономерности движения газов в рабочих камерах печей
Струйное движение в камере. При движении струи в камере возможны два случая: струя успевает (рис. 6.1, а) и не успевает заполнить сечение камеры (рис. 6.1, б). Для рабочих пространств печей чаще характерен второй случай.
Рис. 6.1 Струя в камере
В начале камеры струя развивается аналогично свободной струе и также вовлекает в движение окружающую среду. Но так как стенки камеры препятствуют свободному притоку газа из атмосферы, в районе корня струи создается разрежение (как и во входной части эжектора).
Перед выходом из камеры движение примерно такое же, как и при ударе струи в тупик, с той только разницей, что часть газа покидает камеру. По закону сохранения массы из камеры уходит столько газа, сколько входит через сопло, поэтому часть газа, которая захватывается в корне струи, поворачивается и движется по торцовой стенке. Поскольку в районе тупика давление повышен ное, а в корне струи пониженное, у продольных стен образуется поток, движущийся в направлении, обратном направлению основ ной струи.
Как указывалось выше, давление в свободной струе всюду одинаково. В прямом канале и в смесителе струйного прибора давление постоянно лишь в попе речных сечениях. В камере со струйным движением давление изме няется и вдоль камеры, и в попереч ных сечениях (рис. 6.2). Самое низ кое давление наблюдается на оси струи в области входа в камеру, самое высокое давление—на выходе из камеры. В начале камеры раз ница давлений у периферии и на оси больше, чем в конце.
В ряде случаев движения газа в камере (по данным М. А. Глинкова) удобно выделить ядро постоянной массы — часть струи, в сечениях которой расход равен начальному, и циркуляционные зоны, образующие замкнутые контуры, в которых вращается газ (рис. 6.3).
В прилегающих друг к другу ветвях циркуляционных зон, а также в области касания циркуляционных зон с ядром постоян ной массы газ движется в одном направлении. Между ядром по стоянной массы и циркуляционными зонами происходит непре рывный турбулентный обмен, поэтому такое деление условно, однако оно позволяет ориентироваться при сложном движении газа в камере.
Рассматривая сложный случай движения, вначале следует нарисовать слегка расширяющиеся ядра (или ядро) постоянной массы, а затем между ними и стенками разместить циркуляцион ные зоны. Направление вращения циркуляционных зон должно быть таким, чтобы смежные ветви различных потоков двигались в одинаковом направлении. На рис. 6.4 показаны некоторые сложные случаи движения газа в камере.
Рис. 6.4 Случаи движения газа в камере
Движение газов в рабочем пространстве печей
Движение газов в рабочем пространстве печей, по данным М. А. Глинкова, следует разделять на канальное и струйное. Канальным называется движение, которое осуществляется в ре зультате изменения потенциальной энергии потока. Таково движе ние газов в дымовой трубе (уменьшается геометрическое давление) или в горизонтальном канале (уменьшается статическое давление).
Струйным называется дви жение, которое осущест вляется в результате ди намического воздействия струй. Например, в сва рочной зоне методической печи движение может быть струйным, а в методичес кой зоне — канальным (рис. 6.5).
Рис. 6.5. Струйное (а) и канальное (б) движение га зов в методической печи:
1 — горелка; 2 — отвод продуктов сгорания
Движение газов в рабочем пространстве печи почти всегда неизотермическое. Это обусловлено разностью температур, а сле довательно, и разностью плотностей, что может влиять на движе ние газов и распределение давлений в рабочем пространстве.
При анализе канального изотермического движения к потоку применимы законы, справедливые для движения несжимаемой жидкости в каналах, в том числе уравнение Бернулли.
Исследуя канальное неизотермическое движение, следует опи раться на гидравлическую теорию, разработанную в начале этого века В. Е. Грум-Гржимайло. Гидравлическая теория рассматри вает движение легкого газа в тяжелом (горячего в более холод ном), аналогичное движению жидкости в открытом русле; только русло, в котором движется легкий газ, следует мысленно повер нуть «вверх ногами».
Применение гидравлической теории иллюстрируется следую щим примером. Рабочее пространство печи представляет собой камеру, на поду которой размещен нагреваемый металл. Необхо димо подвести горячие газы из топки и отвести их из рабочего пространства так, чтобы металл равномерно ими омывался. Ввод газа в непосредственной близости к металлу нежелателен вследствие опасности местного перегрева. У пода температура газа понижена из-за охлаждающего действия металла и подсоса атмосферного воздуха.
На рис. 6.6 изображены различные схемы подвода и удаления горячего газа. Верхним рисункам соответствует перевернутая камера, в которой горячий газ заменен жидкостью. Легко пред ставить себе характер ее движения при различных схемах подвода и отвода. На нижних рисунках, являющихся зеркальным изобра жением верхних, показан характер движения горячего газа.
Рис. 6.6. Схемы движения легкого газа (I) и жидкости (II) при различ ном расположении подводящих и отводящих каналов. Точками отме чены области, занятые холодным газом или воздухом, 1 — нагревае мый металл
Ясно, что указанным выше требованиям отвечает схема I, в, а не I, а или I, б.
Канальное неизотермическое движение в современных печах встречается редко. Наиболее распространено струйное движение, при котором на аэродинамику рабочего пространства основное влияние оказывают расположение и направление форсунок и горелок. Расположение отводящих каналов, как правило, имеет меньшее значение.
При струйном неизотермическом течении достаточно полные сведения можно получить, лишь используя сложные методы огне вого моделирования.
Режим давления в рабочем пространстве печи. Характер распре деления давления в рабочем пространстве пламенной печи при струйном движении зависит от расположения и количества движе ния струй. Обычно в месте ввода струй давление меньше, в месте удара о стену — больше; перепады давления в данной печи пропор циональны количеству движения, а следовательно, квадрату расхода топлива и воздуха. На поле давлений, создаваемое струями, накладывается поле, обусловленное неравномерностью темпе ратуры: в более высоких точках рабочего пространства давление выше, чем в более низких.
Общий уровень давления в рабочем пространстве может быть различным независимо от действия струй. Изменяя гидравличе ское сопротивление каналов, через которые удаляются газы из рабочего пространства, можно увеличивать или уменьшать давле ние в печи. Если рабочее пространство герметично, то перепады давлений между различными точками будут постоянными. Поскольку в печи предусмотрены окна, сообщающиеся с атмосферой, разница давлений в различных точках не сколько сглаживается, однако общая закономерность остается.
Рассмотрим, как изменяется дав ление на поду печи и в боровах, по которым отводятся продукты сгора ния (рис. 31). Для простоты примем, что рабочее пространство и борова герметичны, а также, что темпера тура газов и потери на трение в цилиндрической дымовой трубе при различных режимах остаются по стоянными. Гидравлическое сопроти вление борова изменяется при опу скании или подъеме шибера. Из сде ланных допущений вытекает, что разрежение у основания трубы по стоянно.
При постоянном расходе продуктов сгорания (рис. 6.7, а) в соответствии с уравнением Бернулли падение давления на участке борова между шибером и трубой, а следовательно, и давление за шибером также постоянны.
Рис. 6.7. Статическое давление в системе печи при различных режимах
При опускании шибера проходное сечение борова уменьшается, перепад давления у ши бера возрастает. Рассуждая таким же образом, как и выше, при дем к выводу, что давление во всей системе перед шибером воз растает. Если труба обеспечивает достаточно высокое разрежение, то, перемещая шибер, можно получить давление (кривая 1) или разрежение (кривая 3) вдоль всего пода (естественно, что на неко тором расстоянии от пода распределение давления может быть иным).
Как указывалось выше, чтобы устранить подсосы атмосферного воздуха или выбивание продуктов сгорания в атмосферу, в печах с рабочими окнами. стараются поддерживать на поду давление, равное атмосферному. При струйном движении это не всегда возможно вследствие неравномерного распределения давления. Так, для печи, изображенной на рис. 6.7, целесообразно установить шибер в такое положение, чтобы часть пода находилась под небольшим разрежением, а часть — под небольшим давлением (кривая 2).
Исследуем влияние расхода топлива и воздуха на распределе ние давлений (рис. 6.7, б). Если увеличить расход газа, проходя щего через печь, давление на поду которой характеризовалось кривой 2, то в результате увеличения скорости возрастут перепады давления во всей схеме. По этой причине давление в рабочем пространстве может очень сильно повыситься (кривая 4). Чтобы давление на поду уменьшить до атмосферного, необходимо умень шить гидравлическое сопротивление системы боровов.
Согласно рис. 6.7, б, чтобы обеспечить распределение давлений по кривой 5, пришлось полностью поднять шибер; его сопротивле ние стало равным нулю. Понятно, что других возможностей для дальнейшего понижения давления в рабочем пространстве не оста лось. Если еще больше увеличить расход газов, то давление в рабо чем пространстве будет возрастать. Для нормальной работы печи необходимо либо уменьшить гидравлическое сопротивление си стемы боровов, либо усилить тяговые средства (путем увеличения высоты дымовой трубы, установки дымососов или инжекторов).
2. Статика двух однородных газов
В печах приходится сталкиваться с фактом взаимо действия газов, заполняющих печь, и окружающей ат мосферой. Плотность продуктов сгорания может отли чаться от плотности воздуха как в ту, так и в другую сторону в зависимости от содержания С02 и Н2О, но от клонения эти невелики и в расчетах можно принимать, что плотность ρ печных газов при 0° С, как и воздуха, равна 1,29 кг/м3, •
Тогда плотность газов при Т °С равна:
Приведем значения плотностей печных газов при не которых температурах:
Т, оС. . . О 500 1000 1500 2000
ргкг/м3. ... 1,29 0,456 0,276 0,199 0,155
Приведенные цифры показывают, что плотность га зов в печах при высоких температурах в несколько раз меньше, чем у окружающего воздуха.
Основные положения статики двух однородных газов найдем из рассмотрения следующего случая.
На рис. 65 представлена схема печи с дымовым бо ровом. Печь заполнена горячими газами, шибер закрыт, заслонка на рабочем окне несколько приоткрыта, все отверстия в печи закрыты, газовая горелка отключена. В этих условиях наблюдается равновесие газов и окру жающей атмосферы, вследствие чего не будет ни выби вания газов, ни засасывания воздуха в печь через при открытое рабочее окно.
Проводим линию абсолютного барометрического дав ления атмосферы, окружающей печь. Уклон прямой, изображающей изменение абсолютного давления по вы соте, зависит от плотности газа. Отметим, что чем боль ше плотность газа, тем более полого пойдет прямая.
Рис. 65. Статика двух однородных газов
1 — абсолютное дав ление газов в печи; 2 — то же, атмосфе ры; 3—относитель ное давление
.
Абсолютное давление печных газов, заполняющих печное пространство, нам известно лишь на уровне печ ного окна, где оно равно давлению окружающего возду ха. Следовательно, прямая, изображающая абсолютное давление печных газов, пройдет через точку О (приня то, что температура печных газов по высоте печи посто янна).
Абсолютное давление легких печных газов будет в меньшей степени меняться по высоте, чем абсолютное давление окружающего воздуха — прямая пойдет круче.
Выше нейтральной плоскости (условное название плоскости, в которой давление печных га зов и атмосферного воздуха одинаковы), в которой давление равно нулю, печные газы имеют избыточное давление против атмосферного воздуха. Это давление печных га зов показывается V-образным дифференциальным ма нометром, поставленным под сводом. Ниже плоскости ±0 отмечено давление, пониженное против атмосферного, т.е. разрежение или вакуум.
Рассмотрим количественную сторону вопроса. На ос новании выражения (Х-3) для печных газов и воздуха можно соответственно написать:
рг + zprg = const (Х-8)
рв + zpвg = const (Х-9)
Чтобы получить относительное давление, вычтем по членно (Х-9) из (Х-8)
рг– рв = z(pвg – prg)
обозначаяполучим
Это уравнение было выведено в предположении, что ось отсчета высоты совмещена с нейтральной плоско стью ±0.
При z>0 имеем соответственно hст>0 при z<0, hст <0,
Рассмотрим пример, иллюстрирующий распределение давления в печи.
Рис. 66. Распределе ние статического дав ления по высоте печи
Требуется найти распределение статического (относительного) давления по высоте рабочего пространства печи (при выключенном отоплении и отключенной тяге) и построить это графически. Ней тральная плоскость ± 0 находится на уровне 1 м от пода. Схема мечи и график относительных давлений даны на рис.66.
Вычисляем плотность газа и воздуха:
т. е. плотность газа в 4,5 раза меньше плотности воздуха.
Определим давление газа под сводом и на поду борова.
Избыточное давление под сводом равно (z =+3,0); hст = 3,0 (1,2–0,276) =2,75 мм вод. ст.
Давление на поду борова при z= –4,0 hст =- 4,0 (1,2 – 0,276) = – 3,64 мм вод. ст.
На поду рабочей камеры печи при z= –1,0 hст =-1,0 (1,20 -0,276) =–0,92 мм вод. ст.
Строим график относительных давлений (см. рис.66)
Уровень нейтральной плоскости ±0 может быть изменяем открытием шибера в борове. Если приоткрыть шибер, то давление в печи уменьшится, нейтральная плоскость переместится вверх и распределение давления изобразится пунктирной прямой. Если шибер закрыть и включить газовую горелку, то давление в печи повысит ся, распределение давления представится штрихпунктирной прямой. Но во всех случаях уклоны прямых бу дут одинаковы (если температура газов во всех случаях одна и та же, в данном случае 1000° С). В рассмотрен ном примере изменение давления на 1 м высоты состав ляет 0,92 мм вод ст. Если температура в печи 1000° С, то для грубых подсчетов можно принимать прирост дав ления в 1 мм вод ст. на 1 м высоты при условиях, близ ких к равновесию.
Для уменьшения вредного выбивания газов из печи, а также засасывания воздуха желательно поддерживать давление ±0 на уровне рабочих окон. Давление или разрежение в печи у рабочих окон порядка ±2…±5 мм вод ст. считается уже большим и недопустимым.
Из сказанного можно сделать следующие выводы:
1) в печах с высокой температурой можно для гру бой оценки изменения давления считать, что изменение высоты на 1 м дает изменение давления на 1 мм вод. ст.;
2) уклон линий на графике относительных давлений зависит от разности плотностей воздуха и печных газов;
3) положение уровня ±0 по высоте печи можно ре гулировать шибером. Закрывая шибер, будем опускать линию нулевого давления к поду и, наоборот, открывая шибер, будем поднимать линию нулевого давления вверх (к своду), что показано пунктирными линиями на графике относительного давления.
3. Статика дымовой трубы
Рассмотрим, как распределяется давление в дымо вой трубе.
Опыт показывает, что давление в плоскости выходно го сечения работающей дымовой трубы практически равно давлению окружающей атмосферы (это относит ся к любому каналу, выдающему газы в некоторый объем).
Предположим, что шибер опущен и движение газов в трубе прекратилось. В плоскости устья трубы давления печных газов и атмосферы по-прежнему будут рав ны (рис. 67),
Из графика абсолютных давлений видно, что абсо лютное давление внутри трубы меньше давления окру жающего воздуха, так как газы в трубе легче воздуха. График относительного давления показывает изменение давления по высоте дымовой трубы. Чем выше ды мовая труба, тем больше разрежение будет у основания трубы.
Рис. 67. Распределение статического давления во высоте дымовой трубы:
1 – абсолютное давление атмосферы; 2 – то же, газов в трубе
Разрежение у основания трубы равно
Ниже рассмотрен пример, иллюстрирующий это положение.
Требуется выяснить, каково распределение давления по высо те дымовой трубы, составляющей 50 м. Температура окружающего воздуха +20,0 и — 20° С. Средняя по высоте трубы температура газов tг=300° С.
На основании предыдущего считаем, что линия нулевого дав ления будет в плоскости выходного сечения трубы.
Для дымовой трубы по формуле (Х-11) при z= –50 м, , найдем при tв=20,0°С разрежение у основания дымо вой трубы
hст = –50(1,20 – 0,61) = — 29,5 мм вод.ст.
Разрежение, создаваемое трубой при других температурах, со ставит
при tв = 0°С hст = – 50(1,29 – 0,61) = – 34ммвод.ст,,
при tв = – 20 °С hст = – 50(1,39 – 0,61) = – 39 мм вод,ст,