2. Ограниченные струи

На рис. 12.3 показаны схема движения жидкости в осесимметричной струе, распространяющейся в цилиндрической камере, а также распределение скорости в поперечных сечениях камеры и график изменения избыточного статического давления по ее длине.

На выходе из сопла вследствие потерь энергии при внезапном расширении избыточное давление, под действием которого происходит истечение струи, резко падает и переходит в разрежение. Таким образом, в ограниченной струе на подсос окружающей среды расходуется не только кинетическая энергия, но частично и потенциальная энергия давления.

В дальнейшем происходит увеличение давления: вследствие резкого падения скорости кинетическая энергия потока переходит в потенциальную энергию давления. Следовательно, на этом участке движение в струе происходит за счет сил инерции в направлении увеличения давления, т. е. струя движется вследствие того, что она обладает запасом кинетической энергии. Однако на краях струи, где скорости малы, силы инерции оказываются недостаточными для преодоления сил давления. В результате часть потока разворачивается и движется в направлении, обратном основному направлению течения. Именно эта часть потока и подсасывается в струю в качестве окружающей среды в области, прилегающей к соплу. Таким образом, прямой поток в ограниченной струе оказывается окруженным тороидальной циркуляционной зоной, в которой частицы жидкости движутся по замкнутым траекториям.

Из указанного видно, что ограниченная струя, в отличие от свободной, не является изобарным течением, а потому поток импульса по ее длине не сохраняется. Кроме этого, в случае течения струи в камере не выполняется свойственное пограничным слоям условие малости поперечной компоненты скорости по сравнению с продольной. Действительно, в области разворота потока в циркуляционной зоне ситуация оказывается обратной: поперечная компонента скорости велика по сравнению с продольной. Следовательно, ограниченная струя, строго говоря, не относится к течениям типа пограничного слоя, и рассмотренные выше методы теории пограничного слоя не могут использоваться для расчета таких течений.

Для расчета ограниченных турбулентных струй с успехом используют численное решение полных уравнений Навье–Стокса, записанных для осредненных величин (так называемых уравнений Рейнольдса) с использованием современных полуэмпирических теорий турбулентности.

Однако, как показывают эксперименты, в случае, когда диаметр камеры D достаточно велик по сравнению с диаметром d₀, конкретно, когда D/d₀ ≥ 8, ограниченную струю с достаточной для практических целей точностью можно рассматривать как свободную и рассчитывать с помощью изложенных выше методов.

3. Организация движения газов и рациональный режим давления в печах

В современных высокопроизводительных металлургических печах движение газов, несмотря на наличие температурных неоднородностей, обусловленных горением и теплообменом и приводящих к возникновению архимедовых сил, определяется, главным образом, не действием этих сил, а динамическим воздействием струй, истекающих из горелок и форсунок. В частности, на характер движения газов и на распределение давления в печи влияет не столько расположение мест отвода продуктов сгорания, сколько расположение горелочных устройств и их характеристики. Как и во всех случаях распространения ограниченных струй, в областях, прилегающих к выходным отверстиям горелок и форсунок, образуются зоны разрежения. Напротив, в местах удара струй о кладку или металл (последнее имеет место в печах скоростного струйного нагрева) образуются области повышенного давления вследствие перехода кинетической энергии в потенциальную энергию давления при торможении потока.

Указанные неоднородности в распределении статического давления оказываются тем более ярко выраженными, чем больше начальный поток импульса струй, т. е. чем больше мощность горелочных устройств. Неоднородности в распределении давления, обусловленные динамическим воздействием горелочных устройств, накладываются на распределение давления, связанное с неоднородным распределением температуры (а следовательно, и плотности) и на общий уровень давления, обусловленный действием системы автоматического управления давлением. Это создает тот сложный характер распределения статического давления, который характерен для современных топливных металлургических печей.

Эти особенности распределения давления, с одной стороны, позволяют реализовать необходимый характер движения газов в печи, например, организовать рециркуляцию продуктов сгорания с целью выравнивания температуры в рабочем пространстве печи при одновременном снижении температурного уровня процесса, с другой стороны, они создают трудности, связанные с неизбежной негерметичностью рабочего пространства: существенно неод­нородное распределение давления приводит к выбиванию продуктов сгорания, либо к подсосу воздуха через технологические и другие отверстия в стенах печей.

Большинство промышленных печей негерметично. Это связано, прежде всего, с тем, что печь имеет окна, предназначенные для загрузки и выгрузки металла, а также для ее обслуживания. Задачей системы автоматического управления давлением в печи является поддержание нулевого избыточного давления на заданном уровне. При этом, как было показано ранее, в сечениях, расположенных выше этого уровня, давление будет выше атмосферного, т. е. будет существовать избыточное давление, и при наличии отверстий, либо неплотностей будет происходить выбивание продуктов сгорания. Это не относится, однако, к областям, прилегающим к горелкам и форсункам, где, как уже было указано, обычно возникают зоны разрежения. В сечениях, расположенных ниже уровня нулевого давления, будет возникать разрежение и, следовательно, будет иметь место подсос воздуха через отверстия и неплотности. Понятно, что оба указанных явления, т. е. подсос воздуха в рабочее пространство печи и выбивание продуктов сгорания, являются крайне нежелательными. Первое приводит к увеличению окислительной способности атмосферы печи и, следовательно, к ускорению процессов окисления и обезуглероживания нагреваемого металла, а кроме того, к увеличению расхода топлива, так как появляется потребность в дополнительной теплоте, необходимой для нагрева подсосанного холодного воздуха. Второе, т. е. выбивание продуктов сгорания, ухудшает санитарные условия работы обслуживающего персонала и также приводит к увеличению расхода топлива.

В связи с этим система автоматического управления давлением должна, очевидно, поддерживать нулевое избыточное давление на уровне пода печи, где как раз и расположены указанные выше окна.

Для регулирования давления используют обычно шибера, устанавливаемые в дымовых каналах и приводимые в движение исполнительными механизмами системы автоматического управления давлением. При опускании шибера уменьшается сечение для прохода дымовых газов, увеличивается создаваемое им местное сопротивление, и, поскольку разрежение после шибера практически постоянно и определяется высотой дымовой трубы, увеличение перепада давления на шибере приводит к повышению давления по всему тракту до шибера, в том числе в рабочем пространстве печи и, следовательно, к опусканию поверхности нулевого уровня. При поднятии шибера перепад давления на нем уменьшается, что приводит к уменьшению давления в печи, т. е. к перемещению поверхности нулевого уровня вверх. Таким образом, изменяя положение шибера, можно скомпенсировать изменения давления в печи, вызванные изменениями тепловой нагрузки (т. е. расхода топлива и воздуха, а следовательно, и дымовых газов) и поддерживать нулевое избыточное давление на уровне пода печи.