5. Свободное и вынужденное движение

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 «вялое» 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. Это не ' означает, конечно, что естественное движение в печах не существует. Оно 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.

В связи с изложенным выше прежде всего остановимся на рассмотрении струй и дымососов прямого и не прямого действия.

6. Струйное течение

При отоплении современных металлургических печей жидким и газообразным топливом часто 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.

Свободные струи. Свободная струя называется затопленной, если она истекает в среду с той же плотностью. Это условие выполняется в печах лишь частично, так как рабочий объем печи обычно заполнен раскаленными продуктами сгорания. Поэтому возможны такие случаи, когда среда и имеет плотность, отличающуюся от плотности среды, в которой она распространяется. Если ось затопленной струи является продолжением оси насадка, из которого она истекает, то при неравенстве плотностей ось искривляется вверх (плотность струи меньше плотности среды) или вниз (плотность струи больше плотности среды).

Рис. 27. Схема распределения скоростей в различных сечениях свобод­ной струи

Свободная затопленная струя обладает рядом характерных свойств, одним из которых является постоян­ство количества движения по длине струи, т. е. mw = const. При движении турбулентной струи в результате 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). 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.

При установке горелок в печи с точки зрения аэродинамики факела, прежде всего, представляют интерес два основных вопроса: какие поперечные размеры факела на всей его длине и какая его дальнобойность? Первый вопрос важен при определении расстояния между горелками, а вто­рой при определении соотношения между длиной факела и размерами рабочего пространства печи, поскольку во избе­жание преждевременного износа кладки печи факел бить в нее не должен.

Ч

28

астично ограниченные струи. Струйные аппараты (инжекторы и эжекторы). С практической точки зрения наиболее важное значение имеют два случая частично ограниченных струй: струи, соприкасающиеся со стенками, и струйные аппараты. В некоторых, например мартеновских, печах необходимо, чтобы факел на его определенной дли­не касался поверхности расплавленного металла и шлака. В этом случае возникает вопрос о дальнобойности струи при ее соприкосновении с поверхностью. 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. 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.

Ограниченные струи. Характерной особенностью огра­ниченных струй является то, что они развиваются в камере, размеры которой соизмеримы с размерами струи. 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 ее истоку. Для характеристики интенсивности циркуляции газов введена кратность циркуляции K=m₂/m1,где т1 — секундный

массовый расход газа в сечении /—/; т₂ — секундный массовый расход газа в сечении //—//; м₂ т₁+т_ц (т_ц — масса циркулирующего газа).

29

30

7. Устройства для перемещения газа

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

П рименение 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 в 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 используют центробежные вентиляторы, обеспечивающие подачу t воздуха под давлением, превышающим 10000 Па. Вентиляторы, выполненные из обычной у

31

глеродистой 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 (Vo, м³/ч) и сум­марных потерь напора в сети с учетом запаса, равного 25 %. Номограммы составлены для воздуха с температурой 293 К, поэтому при выборе вентиляторов для перемещения газа или воздуха с другой температурой заданное дав­ление необходимо пересчи­тать по формуле (Па):

М ощность на валу вен­тилятора определяется, но формуле (кВт)

где — к. п. д. вентилятора.

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

В основе тяги косвенного действия 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.