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 повышен­ное, а в корне струи пониженное, у продольных стен образуется поток, движущийся в направлении, обратном направлению основ­ной струи.

Как указывалось выше, давление в свободной струе всюду одинаково. В прямом канале и в смесителе струйного прибора давление постоянно лишь в попе­речных сечениях. В камере со струйным движением давление изме­няется и вдоль камеры, и в попереч­ных сечениях (рис. 6.2). Самое низ­кое давление наблюдается на оси струи в области входа в камеру, самое высокое давление—на выходе из камеры. В начале камеры раз­ница 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 постоян­ной массы газ движется в одном направлении. Между ядром по­стоянной массы и циркуляционными зонами происходит непре­рывный 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 циркуляцион­ные 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 ре­зультате изменения потенциальной энергии потока. Таково движе­ние газов в дымовой трубе (уменьшается геометрическое давление) или в горизонтальном канале (уменьшается статическое давление).

Струйным называется дви­жение, которое осущест­вляется в результате ди­намического воздействия струй. Например, в сва­рочной зоне методической печи движение может быть струйным, а в методичес­кой зоне — канальным (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Струйное (а) и канальное (б) движение га­зов в методической печи:

1 — горелка; 2 — отвод продуктов сгорания

 

Движение газов в рабочем пространстве печи почти всегда неизотермическое_. Это обусловлено разностью температур, а сле­довательно, и разностью плотностей, что может влиять на движе­ние 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 опи­раться на гидравлическую теорию, разработанную в начале этого века В. Е. Грум-Гржимайло. Гидравлическая теория рассматри­вает движение легкого газа в тяжелом (горячего в более холод­ном), аналогичное движению жидкости в открытом русле; только русло, в котором движется легкий газ, следует мысленно повер­нуть «вверх ногами».

Применение гидравлической теории иллюстрируется следую­щим примером. Рабочее пространство печи представляет собой камеру, на поду которой размещен нагреваемый металл. Необхо­димо 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 пред­ставить себе характер ее движения при различных схемах подвода и отвода. На нижних рисунках, являющихся зеркальным изобра­жением верхних, показан характер движения горячего газа.

Рис. 6.6. Схемы движения легкого газа (I) и жидкости (II) при различ­ном расположении подводящих и отводящих каналов. Точками отме­чены области, занятые холодным газом или воздухом, 1 — нагревае­мый 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 огне­вого моделирования.

Режим давления в рабочем пространстве печи. Характер распре­деления давления в рабочем пространстве пламенной печи при струйном движении зависит от расположения и количества движе­ния струй. Обычно в месте ввода струй давление меньше, в месте удара о стену — больше; перепады давления в данной печи пропор­циональны количеству движения, а следовательно, квадрату расхода топлива и воздуха. На поле давлений, создаваемое струями, накладывается поле, обусловленное неравномерностью темпе­ратуры: 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 гидравличе­ское сопротивление каналов, через которые удаляются газы из рабочего пространства, можно увеличивать или уменьшать давле­ние 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 не­сколько сглаживается, однако общая закономерность остается.

Рассмотрим, как изменяется дав­ление на поду печи и в боровах, по которым отводятся продукты сгора­ния (рис. 31). Для простоты примем, что рабочее пространство и борова герметичны, а также, что темпера­тура газов и потери на трение в цилиндрической дымовой трубе при различных режимах остаются по­стоянными. Гидравлическое сопроти­вление борова изменяется при опу­скании или подъеме шибера. Из сде­ланных допущений вытекает, что разрежение у основания трубы по­стоянно.

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 ши­бера возрастает. Рассуждая таким же образом, как и выше, при­дем к выводу, что давление во всей системе перед шибером воз­растает. Если труба обеспечивает достаточно высокое разрежение, то, перемещая шибер, можно получить давление (кривая 1) или разрежение (кривая 3) вдоль всего пода (естественно, что на неко­тором 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 распределе­ние давлений (рис. 6.7, б). Если увеличить расход газа, проходя­щего 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 умень­шить гидравлическое сопротивление системы боровов.

Согласно рис. 6.7, б, чтобы обеспечить распределение давлений по кривой 5, пришлось полностью поднять шибер; его сопротивле­ние стало равным нулю. Понятно, что других возможностей для дальнейшего понижения давления в рабочем пространстве не оста­лось. Если еще больше увеличить расход газов, то давление в рабо­чем пространстве будет возрастать. Для нормальной работы печи необходимо либо уменьшить гидравлическое сопротивление си­стемы боровов, либо усилить тяговые средства (путем увеличения высоты дымовой трубы, установки дымососов или инжекторов).