Свинолобов Н.П., Бровкин В.Л. Теоретические основы металлургической теплотехники

Подождите немного. Документ загружается.

211

метра сопла. При увеличении диаметра сопла кривая L

фак

= f(W

ист

) посте-

пенно теряет максимум, вырождаясь в плавную кривую (пунктирная кри-

вая на рис. 10.7). Хорошо развитый турбулентный факел имеет место при

кр

> 8000-10000. Для водорода Re

кр

= 3000.

10.8.4. Длина турбулентного факела [17]

Ламинарные факелы не встречаются в практике работающих печей.

Между тем, теория турбулентного факела разработана для факела, разви-

вающегося в неограниченной неподвижной воздушной среде [17], или

движущейся со скоростью W

[31].

В [17] использованы закономерности изотермической струи. Путь, на

протяжении которого газовая струя захватывает для горения стехиометри-

ческое количество воздуха

L , И.Д. Семикин назвал длиной пути захвата

зах

(рис. 10.8). В

конце пути захвата

смесь весьма неод-

нородна. Свободный

кислород находится

в периферийных

слоях, а горючий газ

сосредоточен в цен-

тральном ядре факе-

ла. Для завершения

процесса полного

горения требуется

определенный до-

полнительный

путь – длина пути перемешивания L

пер

. Общая длина факела равна

фак

= L

зах

+ L

пер

. (10.55)

Длина захвата L

зах

определяется из формулы (5.5) по известной вели-

чине смеси газа и захваченного воздуха

зах

см

газ

гор

возгаз

mm +

0г

0в

ρ⋅

: (10.56)

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ρ⋅

+⋅⋅=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ρ⋅

+⋅⋅=

0г

0в

0г

0в

0зах

1d16,3

316,0

, (10.57)

Рис. 10.8. Схема к расчету длины факела в

неподвижном воздухе

212

где

L – объем воздуха для сжигания 1 м

газа при нормальных условиях

= t

= 0 °С, Р

= Р

= 760 мм рт. ст.); ρ

в0

– плотность воздуха при нор-

мальных условиях; ρ

г0

– плотность топлива при нормальных условиях.

Далее из (5.3) пренебрегая единицей по известной величине L

зах

опре-

делится диаметр струи (факела) в конце пути захвата

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ρ⋅

+⋅⋅⋅=⋅=

0г

0в

0захзах

1d16,3bLbd

(10.58)

Согласно разделу 5.1 длина пути перемешивания определится по

формуле L

пер

= В⋅d

зах

. Тогда

фак

= L

зах

⋅(1 + В⋅b) = 3,16 ⋅d

⋅(1 +

0г

0в

ρ⋅

)⋅(1 + В⋅b). (10.59)

При практическом значении угла раскрытия факела α

пр

= 24° получим

b = 2⋅tg(α

пр

/2) = 0,425 и величине В ≈ 6 окончательно получим

фак

=11⋅(1 +

0г

0в

ρ⋅

)⋅d

. (10.60)

Формально длина факела зависит от теплоты сгорания топлива и диа-

метра сопла горелки. При большой тепловой мощности полезно дробление

факела, но на длине захвата нужно исключить слияние факелов. В решении

С.И. Аверина [31] учитывается влияние скорости воздуха на длину факела.

10.8.5. Факторы, влияющие на длину свободного факела [17]

На длину факела влияют следующие основные факторы:

диаметр газового сопла d

;

теплота сгорания топлива

Q ;

концентрация кислорода в обогащенном воздухе;

скорость выхода газа из горелки;

скорость воздушного потока;

избыток воздуха, подаваемого для горения;

температура газа;

температура воздуха;

соприкосновение факела с плоскостью;

10)

угол встречи потоков газа и воздуха;

11)

расстояние между факелами.

Рассмотрим отдельные факторы более подробно.

1. Диаметр газового сопла.

213

Сравнение факелов можно проводить при постоянной скорости исте-

чения газа, когда изменяется тепловая мощность горелки, и при одной и

той же тепловой мощности горелки, но тогда будет изменяться скорость

истекающего газа, что усложняет сравнение. На рис. 10.9 представлены фа-

келы коксового газа, истекающего из сопел различных диаметров с одной и

той

же скоростью. Вершины факелов образуют прямую линию, что под-

тверждает достоверность формулы (10.60): длина факела пропорциональна

диаметру газового сопла d

. Следует учитывать, что одновременно увели-

чивается мощность горелки.

2. Теплота сгорания топлива.

Чем выше теплота сгорания

топлива, тем больше воздуха тре-

буется для его сжигания, и тем

больше, согласно (10.60), будет

длина факела. Процесс вовлечения

воздуха в горящую струю – про-

цесс энергетический, потому на

длину факела влияет не объемная

теплота сгорания топлива

[Дж/м

], а массовая теплота сгора-

ния

Q [Дж/кг]. Так, объемная те-

плота сгорания СО составляет 3050

кДж/м

, что выше объемной тепло-

ты сгорания водорода, составляю-

щей 2575 кДж/м

. Но ρ

= 1,25

кг/м

)CO(н

Q = 2440 кДж/кг, а у

водорода

ρ = 0,0893 кг/м

)H(н

Q = 28800 кДж/кг. Для СО

имеем

= 2,3 м

возд. / м

газа;

для Н

–

L = 2,38 м

возд. / м

газа. Расчет по формуле (10.60) приводит к

следующим результатам: L

фак(СО)

= 40⋅d

)H(фак

= 407⋅d

. Длина факела у

водорода очень большая, хотя химическая особенность водорода способст-

вует быстрому ходу реакции горения. Эту особенность Н

отметили многие

исследователи факельного процесса – одному кг Н

требуется захватить

много воздуха на пути L

зах

3. Концентрация О

в воздухе.

Чем больше процент О

в воздухе, тем меньше воздуха потребуется

для горения, тем легче и быстрее вовлечь в струю нужное количество О

Рис. 10.9. Фотографии

зависимости длины факела от

диаметра сопла

214

Следовательно, длина пути захвата L

зах

, а соответственно d

зах

, L

пер

и L

фак

уменьшаются.

Таким образом, сокращение длины факела при сжигании газа с обога-

щенным воздухом или даже с чистым кислородом обязано не сколь химии

процесса, сколь механике газов, т.е. физике процесса.

Влияние факторов 4-11 на длину факела не нашло отражения в фор-

муле (10.60) и потому используются экспериментальные данные для реше-

ния поставленных

вопросов.

4. Скорость выхода газа из горелки.

Как показано ранее, с увеличением скорости истекающего газа (в тур-

булентной области) длина факела медленно возрастает (относительно воз-

растания длины ламинарного факела). На одной и той же длине захват воз-

духа растет пропорционально скорости газа за счет увеличения турбулент-

ности потока и длина факела

перестает зависеть от тепловой мощности го-

релки.

5. Скорость воздушного потока.

Практическое сжигание газа в печах связано с подачей вентиляторно-

го воздуха в горелку. Воздух из воздушного кольца может истекать с раз-

личной скоростью. Общая идея процесса перемешивания газовых сред со-

стоит в том, что количество движения двух потоков определяет течение

процесса. Чем больше количества движения участвует в процессе переме-

шивания, тем интенсивнее происходит процесс перемешивания. С этой

точки зрения, ввод дополнительного количества движения с воздухом дол-

жен привести к укорочению длины факела, что подтверждается и экспери-

ментом.

6. Избыток воздуха, подаваемого для горения.

Избыток воздуха при сохранении площади воздушного кольца в

го-

релке может привести к некоторому сокращению длины факела из-за уве-

личения скорости воздуха. Дожигание "хвоста" факела идет в условиях

снижающейся концентрации кислорода. Ясно, что подача воздуха с неко-

торым небольшим избытком совершенно необходима, чтобы наверняка ис-

ключить недожог топлива в печи.

7. Температура газа.

Подогрев газа с соответственным увеличением

скорости гипотетиче-

ски эквивалентен уменьшению диаметра горелки d

при постоянной тепло-

вой мощности горелки на холодном газе. По этой причине длина факела

сокращается.

Это явление можно объяснить следующим образом. Химическая теп-

лота остается постоянной, а скорость вылета газа и, следовательно, количе-

ство движения возрастает, отчего перемешивание потоков газа и воздуха

ускоряется.

215

8. Температура воздуха.

С увеличением температуры воздуха скорость воздуха увеличивается,

перемешивание газа и воздуха ускоряется и длина факела уменьшается.

9. Соприкосновение факела с плоскостью.

При соприкосновении струи газа с плоскостью факел деформируется,

он становится шире и тоньше.

Струя газа, уширяясь при встрече с плоскостью, одновременно лиша-

ется некоторого фронта для захвата

кислорода. Уширение факела способ-

ствует его укорочению, а прекращение снабжения его кислородом со сто-

роны плоскости вызывает его удлинение. В конечном итоге, при наличии

таких противоречивых факторов, длина факела существенно может и не

измениться.

10. Угол встречи потоков газа и воздуха.

При встрече потоков газа и воздуха под углом, что имеет

место при

практическом сжигании газа в промышленных печах, происходит явление

удара со всеми вытекающими отсюда последствиями. Потоки сплющива-

ются, расширяются, дробятся на отдельные пряди. Более слабый поток де-

формируется сильнее.

Чем больше скорости потоков, тем сильнее действие удара. Удар

струи о струю способствует перемешиванию газов за счет появления мак-

ротурбулентности

крупных вихрей. Это ведет к укорочению факела, но

связано с потерей стройности движения, т.е. аэродинамических качеств фа-

кела. Угол встречи 45

при равенстве скоростей газа и воздуха может со-

кратить длину факела вдвое.

В тех случаях, когда аэродинамические качества важнее, чем длина

факела (например для факела в мартеновской печи), применение больших

углов вредно. Для сокращения длины факела лучше увеличить скорость

воздуха и уменьшить угол встречи потоков, поскольку большой угол

встречи разрушает

факел.

11. Расстояние между факелами.

При близком расположении друг к другу факелы мешают подходу ки-

слорода. При расширении струй они сливаются друг с другом. Если этот

контакт произошел раньше, чем закончился захват нужного количества

воздуха для горения, то дальнейшее получение кислорода затрудняется, так

как факелы из отдельных превращаются в один общий.

В результате слия-

ния потоков длина общего факела резко возрастает. Если воздух и газ по-

даются параллельными потоками с большими скоростями при котором

длина захвата меньше длины слияния потоков, то длина суммы всех факе-

лов практически не отличается от длины отдельного факела.

216

10.8.6. О длине факела в рабочем пространстве печи

Струи топлива и воздуха в печи окружены продуктами горения. При

истечении газа и воздуха в печь неизбежно происходит подсос продуктов

горения и снижение концентрации кислорода в воздухе. Это приводит к

удлинению факела по сравнению с факелом, развивающимся в неограни-

ченном воздушном пространстве. С другой стороны, подсос горячих про-

дуктов горения в

струю топлива и воздуха способствует более раннему

поджиганию смеси и уменьшению длины факела.

Влияние факторов, описанных в разделе 10.8.5, на длину печного фа-

кела и свободного факела практически одинаково.

217

Предметный указатель

Абсолютно черное тело ........................ 156

Аверин

вихревой пограничный слой............ 24

Архимедова сила...................................... 20

Аэродинамические потери...................... 74

Био

гипотеза........................................ 92, 95

критерий........................................... 129

Важнейшие температуры...................... 112

Вихревая зона........................................... 56

Влажность газа....................................... 181

Воспламенение....................................... 205

Вязкость .................................................... 24

Газ.............................................................. 11

идеальный.......................................... 35

несжимаемый .................................... 64

сжимаемый ........................................ 66

Гидравлический диаметр ........................ 53

Градиент температуры ............................ 95

Граничное условие .................................. 35

1 рода.................................................. 35

2 рода.................................................. 35

3 рода.................................................. 35

прилипания ........................................ 35

Грасгофа

критерий........................................... 139

Давление ................................................... 12

абсолютное ........................................ 12

геометрическое ................................. 13

гидростатическое.............................. 13

динамическое .................................... 15

избыточное .................................. 12, 19

измерение........................................... 12

критическое ....................................... 68

поршня ............................................... 12

статическое........................................ 13

Дальнобойность

струи............................. 87

Движение

вынужденное ................................... 134

ламинарное.................................. 21, 26

свободное......................................... 134

турбулентное............................... 21, 26

Действительный расход ........................ 188

Диффузор.......................... 18, 56, 69, 75, 86

Длина пути захвата................................ 211

Длина пути перемешивания ........... 45, 211

Длина факела.......................................... 208

Жидкость .................................................. 11

идеальная ........................................... 35

ньютоновская.....................................35

Закон

Архимеда............................................72

Бера ...................................................173

Бугера................................................172

Буссинеска..........................................27

Кирхгофа ..................................162, 173

Клапейрона-Менделеева...................12

Ламберта.......................... 157, 163, 164

Ньютона....................... 26, 92, 134, 135

объединенный Ньютона и

Буссинеска ......................................27

объединенный Стефана-

Больцмана и Ньютона .................102

Ома..............................................98, 100

Планка...............................................157

Стефана-Больцмана...................92, 158

универсальный

логарифмический

распределения скорости................46

Фурье ..................................................91

Излучательная

способность среды.......173

Излучение................................................156

интегральное

полусферическое..................157, 159

полусферическое .............................157

спектральное

полусферическое..........................157

Инжектор...................................................84

простой ...............................................84

сложный..............................................85

Интегральная степень черноты.............159

Истечение

адиабатическое ..................................66

изоэнтропическое ..............................67

Касательное напряжение ...................26, 42

нормальное.........................................42

Количество движения ..............................32

секундное ...........................................32

Количество теплоты...............................113

Конвективная теплоотдача....................134

Конвекция................................................134

вынужденная....................................139

свободная..........................................139

смешанная ........................................140

Конфузор .......................................18, 69, 86

Коэффициент

Буссинеска..........................................50

диафрагмирования...........................171

218

динамической вязкости.................... 26

динамической турбулентной

вязкости.......................................... 27

излучения........................................... 92

излучения АЧТ................................ 158

использования химической

энергии топлива .......................... 197

кинематической вязкости ................ 26

Кориолиса.......................................... 50

массивности..................................... 129

поглощения луча............................. 172

полезного действия......................... 200

распределения температур............. 121

расхода ............................................... 66

расхода воздуха............................... 188

сжатия ................................................ 65

скорости ............................................. 65

температуропроводности............... 105

теплоотдачи излучением............ 93, 94

теплоотдачи конвекцией.... 92, 94, 134

теплопередачи ................................. 101

теплопроводности............................. 92

трения................................................. 53

турбулентной динамической

вязкости........................................ 143

турбулентной

теплопроводности....................... 143

усреднения скорости ........................ 49

усреднения тепловых потоков

по толщине тела .......................... 120

формы тела ...................................... 113

Кратность

инжекции ............................... 86

Манометр .................................................. 19

Метод

Кармана.............................................. 37

конечных разностей........ 105, 110, 133

Лагранжа............................................ 30

тепловой диаграммы ...................... 105

Эйлера ................................................ 30

Модель

инженерная в теории

теплопроводности............... 110, 116

Настильность струи................................. 87

Начальное условие................................... 35

Начальный инерционный период

нагрева................................................. 115

Никурадзе

опытные данные................................ 46

Нормальные условия ............................... 15

Нуссельта

критерий................................... 140, 142

Оператор Лапласа .................................. 105

Определяющий размер тела ................. 113

Относительная шероховатость ...............54

Переходный период к РРН....................130

Печь..............................................................6

борова ...................................................8

газовоздухопроводы............................8

горелка......................................8, 64, 84

дроссель..........................................9, 79

дымовая труба....................................71

задвижка ...............................................9

каркас

....................................................8

клапаны Фортера и Симплекса........10

рабочее пространство..........................8

регенератор ....................................8, 18

рекуператор....................................8, 18

топка......................................................8

труба дымовая......................................9

ТЭН .......................................................8

тягодутьевые устройства....................9

форсунка.........................................8, 64

футеровка .............................................8

шибер дымовой..............................9, 74

Пирометрический коэффициент...........192

Плотность теплового потока...................91

Подъемная сила ........................................72

Показатель адиабаты..........................67, 69

Польгаузен ..............................................141

Поправка Михеева..................................145

Потери на удар....................................56, 85

Прандтля

гипотеза турбулентности................143

критерий ...................................138, 144

пограничный слой .............................26

Предел воспламенения

верхний .............................................206

нижний..............................................206

Пуазейля течение......................................48

Радикал ....................................................203

Расход

массовый.............................................15

объемный............................................14

Регулярный

режим нагрева ...................115

Рейнольдса

аналогия............................................145

критерий ...........................................138

критерий (число) ...............................26

опыт.....................................................21

уравнение ...........................................41

Решение

Блазиуса..............................................37

Система Поляка ..............................165, 176

Скорость ....................................................14

динамическая .....................................45

звука....................................................69

219

критическая ....................................... 68

мгновенная......................................... 39

нагрева.............................................. 112

нормальная ........................................ 16

пульсационная................................... 39

распространения пламени.............. 207

сверхзвуковая.................................... 69

среднеимпульсная............................. 49

среднерасходная................................ 17

среднеэнергетическая....................... 49

транспортная ..................................... 76

характерная................................ 58, 138

Сопло Лаваля............................................ 69

Спектральная плотность потока

излучения ............................................ 158

Спектральная степень черноты............ 158

Способность тела

отражательная ................................. 156

поглощательная....................... 156, 162

пропускательная ............................. 156

Струйка тока............................................. 17

Струйный аппарат.................................... 86

Температура

воспламенения топлива.................. 205

действительная................................ 191

калориметрическая ......................... 190

стандартная

калориметрическая ..................... 191

Температурная диаграмма .................... 117

Температурный градиент........................ 92

Теорема

импульсов Эйлера............................. 40

Теоретический расход........................... 186

Теория цепных реакций ........................ 203

Тепловая мощность

максимальная .................................. 198

минимальная.................................... 198

общая................................................ 196

полезная ........................................... 197

потерь ............................................... 196

средняя ............................................. 198

усвоенная ......................................... 196

холостого хода ................................ 197

Тепловое сопротивление....................... 100

Тепловой пограничный слой

Кружилина .......................................... 135

Тепловой поток ........................................ 91

Тепловой поток излучения

отраженный ..................................... 160

падающий ........................................ 160

поглощенный................................... 160

результирующий............................. 160

собственный .................................... 160

эффективный....................................160

Теплообменник ...........................................8

Теплопередача

нестационарная..................................97

стационарная......................................97

Теплопроводность....................................94

Теплота ......................................................91

Теплота сгорания топлива .....................182

высшая ..............................................182

массовая............................................182

низшая...............................................182

объемная...........................................182

Теплотехника ..............................................6

Тонкое теплотехническое тело .............127

Топливо....................................................180

естественное.....................................180

искусственное ..................................180

Труба Вентури ..........................................18

Турбулентная

вязкость ............................26

Турбулентность ........................................22

вязкий подслой ..................................24

поверхность раздела..........................22

пограничный слой .............................23

Турбулентный вихрь................................81

Угловая плотность..........................163, 164

Угловой коэффициент

для собственного излучения ..........166

для эффективного излучения .........164

разрешающий...................................171

Угол раскрытия струи..............................82

Угол раскрытия факела..........................212

Удельный расход теплоты.....................200

Уравнение

Бернулли.............................................18

движения ............................. 33, 34, 137

импульсов Эйлера .......................32, 85

Кармана ..............................................37

Кармана для

гидродинамического

пограничного слоя.......................141

Кружилина для теплового

пограничного слоя.......................141

Навье-Стокса....................... 33, 34, 137

неразрывности

.............. 17, 30, 35, 137

Прандтля.....................................37, 145

Рейнольдса .........................................41

теплоотдачи для пограничного

слоя................................................136

теплоотдачи Лайона ........................147

теплоотдачи при движении в

круглом канале.............................136

теплопроводности Фурье................105

Фурье-Кирхгофа ..............................136

220

энергии............................................. 136

Формула

Блазиуса ............................................. 47

Борда .................................................. 56

Дарси–Вейсбаха................................ 53

Менделеева...................................... 184

Нуссельта......................................... 169

Поляка .............................................. 161

Семикина ......................................... 179

Сен-Венана ........................................ 67

тепловой диаграммы.......................122

Тимофеева ........................................178

Шлихтинга .........................................82

Характерный размер тела ................58, 138

Экран........................................................169

идеальный.........................................169

Элементарный телесный угол...............163

Энергия активации .................................203

Эффективная длина луча.......................174

Яркость ....................................................164