3.2. Струйное движение газов

В рабочих пространствах современных печей движение газов осуществляется главным образом под воздействием струи продуктов горения топлива.

3.2.1. Движение свободной струи

Струя называется свободной, если она не ограничена твёрдыми стенками печных каналов и распространяется в среде с той же плотностью.

Движущиеся частицы свободной струи (рис. 3.4.), соприкасающиеся с неподвижными частицами атмосферы печи, вовлекают их в движение. По мере удаления от сопла количество частиц газа, участвующих в движении, увеличивается, а средняя скорость уменьшается.

W_o

сопло

Рис. 3.4. Изменение скоростей газа вдоль оси струи.

Экспериментально установлено, что количество движения газов в поперечных сечениях струи остаётся неизменным, т.е. Давление внутри свободной струи постоянно и равно давлению окружающей струи.

3.2.2. Струйные аппараты

Поток газа (рис. 3.5.), выходящий с большой скоростью из сопла 1, касается стенок смесителя 2 на некотором расстоянии от сопла, соответствующем углу раскрытия свободной струи. У места выхода из сопла образуется разряжение, под действием которого в смеситель поступает воздух из атмосферы. В результате этого часть динамического давления струи превращается в статическое давление. При малом соотношении площади сечений сопла f_с и смесителя f_см. струйный аппарат является высоконапорным, но количество вовлекаемого в движение газа невелико. При значительной величине этого соотношения аппарат используют для отсасывания больших объёмов газа, при малом напоре. В первом случае аппараты называются инжекторами, во втором – эжекторами.

Рис. 3.5. Профили скорости в смесителе струйного аппарата

0 - полюс струи, 1- рабочее сопло, 2- смеситель

3.2.3. Настильность струи

Сопротивление движению струи газа в среде неподвижного газа больше, чем при движении вдоль твёрдой или жидкой поверхности. Это объясняется тем, что со стороны этих поверхностей не происходит подмешивания неподвижных частиц газа и связанных с этим потерь энергии струи. Поэтому струя, направленная параллельно этим поверхностям, движется вдоль них как по пути наименьшего сопротивления (рис. 3.6.). По мере удаления от сопла максимум скорости на эпюрах скоростей приближается к поверхности раздела. Угол раскрытия струи в вертикальной плоскости уменьшается, а угол растекания по самой плоскости равен 30^о. Свойство струи «стелиться» вдоль твёрдой и жидкой поверхностей В.Е. Грум-Гржимайло назвал настильностью.

Струя, направленная под углом к поверхности раздела, не отразится от неё, а также будет «стелиться» вдоль поверхности. При малых скоростях потока возможен его отрыв от поверхности под действием геометрического напора горячих газов. При направлении струи на верхнюю поверхность (например, на свод печи), проявляются те же закономерности свойства настильности струи.

Явление настильности широко используется в работе промышленных печей. Так, например, при плавке цветных сплавов пламя направляют на свод печи для того, чтобы уменьшить окисление дорогостоящего металла кислородом продуктов горения. Передача тепла металлу в этом случае происходит излучением свода, нагретого пламенем.

При плавке более тугоплавкого сплава - стали в мартеновских печах стремятся к максимально эффективному теплообмену между пламенем и металлом. Для этого пламя настилают на поверхность металла. В окислительный период плавки повышение интенсивности окисления металла, связанное с настилом пламени на металл увеличивает производительность печи. В восстановительный период угар металла минимизируют с помощью шлака.

Рис. 3.6. Настильность струи газа

1- сопло, 2 – граница свободной струи, 3 – поверхность раздела