Лекция № 6. Оборудование и элементы печей: топливосжигающие устройства.

В большинстве металлургических печей необходим направленный теплообмен, который организуется благодаря сжиганию топлива непосредственно в рабочем пространстве печи. При этом теплоотдача на поверхность нагрева происходит одновременно с горением топлива, иначе говоря, процессы сжигания и теплоотдачи совмещаются вследствие переноса в той или иной мере горения в рабочее пространство печи.

Роль топливосжигающих устройств заключается не только в обеспечении полного сжигания топлива в пределах рабочего пространства, но и в обеспечении наивысшего уровня теплоотдачи, что достигается наилучшим образом, когда в топливосжигающем устройстве организуется устойчивый высокотемпературный факел.

Хорошо организованный факел горящего топлива характе­ризуется высокой радиацией, в несколько раз превышающей ра­диацию продуктов сгорания той же температуры.

На основе изучения закономерностей процесса горения (в ча­стности, факельного) можно найти средства, позволяющие так организовать процесс горения, чтобы он соответствовал предъ­являемым к нему требованиям.

Начнем это изучение с газового топлива, самого простого по своей структуре.

ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И ДЕТОНАЦИЯ В ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ

Горение сможет развиваться только тогда, когда молекулы газа войдут в тесное соприкосновение с молекулами кислорода воздуха, т. е. когда произойдет их смешение (физический процесс), а затем те и другие молекулы получат необходимую энергию для преодоления «химического барьера» и возможности осу­ществления акта химического соединения. Иначе говоря, смесь газа и воздуха должна нагреться до температуры воспламене­ния.

Эти процессы организуются в технике последовательно (в так называемых беспламенных горелках) и одновременно (в пламенных горелках).

Где бы ни сжигался газ - в печах, котлах или двигателях внутреннего сгорания - бывает опасность перехода горения во взрыв с теми или иными разрушительными последствиями.

Различают взрыв и, как его разновидность, детонацию. Ког­да говорят о взрыве, имеют в виду закрытый объем, наполнен­ный взрывчатой смесью. Под детонацией же подразумевают взрывной характер распространения пламени в открытых сосу­дах, например, в трубах, т. е. в условиях постоянного атмосфер­ного давления. В этом случае всегда возникает взрывная волна, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью.

В цилиндрах двигателей внутреннего сгорания взрывной ха­рактер горения называют тоже детонацией. В этом случае пламя от запала свечи распространяется со скоростью до 1500 м/сек вместо 5-10 м/сек при нормальном режиме горения.

Взрыв и детонация возникают не всегда, а только при опре­деленных условиях, а именно при наличии:

1) Хорошо перемешанной газовоздушной смеси определен­ного состава;

2) Запала;

3) Достаточно большого объема, заполненного газовоздуш­ной смесью;

4) Определенного состава газа, поскольку не все газы одина­ково способны к детонации; наиболее опасным в этом отношении является водород.

Закрытый объем, где, следо­вательно, возможно значитель­ное повышение давления, осо­бенно благоприятствует перехо­ду горения во взрыв; в очень малых объемах, например в трубках малого диаметра, дето­нация вообще невозможна; ме­тан, например, не дает детона­ции в трубках диаметром 3,5 мм и меньше.

Объясняется это тем, что ре­акция при взрыве носит цепной характер, а цепи на холодных стенках трубок или сосудов об­рываются и к тому же прогрев смеси до температуры воспламе­нения в узких проходах при хо­лодных стенках очень затруднен.

Когда не обеспечена совокуп­ность всех вышеупомянутых ус­ловий, то происходит нормаль­ное горение, которым и пользу­ются в технике. Детонация не возникает, например, при истече­нии газовоздушной смеси с до­статочной скоростью из холодной трубки. Подожженная смесь спо­койно горит в очень тонком слое коротким пламенем, образуя на конце трубки при ламинарном движении горящий конус. В этом случае вычисляют так называе­мую нормальную скорость распространения пламени. Ее сред­нее значение определяют как частное от деления количества истекающего газа V (м³/сек) на поверхность горящего кону­са F (м²):

w = V/F м/сек (11)

В турбулентном потоке скорости распространения пламени могут быть значительно больше благодаря автотурбулизации фронта пламени. Поэтому скорости истечения смеси в промыш­ленных горелках берут более 10 м/сек, чтобы возможность хлоп­ка и проскока пламени внутрь горелки была бы исключена.