9. Движение газов в замкнутом пространстве печи. Геометрические потери энергии движения газов.

При сжигании топлива в печи образуются продукты горения (П.Г.), которые отдают тепло нагреваемому металлу. Одновременно часть тепла расходуется на нагрев кладки, теряется в открытое пространство и уносится с уходящими газами. Для компенсации затрат теплоты необходимо подавать топливо и воздух для его горения. Также непрерывно происходит и удаление из печи отработанных газов. При непрерывном подводе топлива и отводе газов в печи образуется движущийся поток газов с переменной по пути движения температурой. Процесс подачи топлива и удаления отработанных газов необходимо осуществлять с минимальными затратами и с обеспечением интенсивного нагрева металла. Интенсивность теплообмена между газом и нагреваемым металлом зависит от движения газового потока. Правильная (рациональная) организация «омывания» газами нагреваемых заготовок или деталей может значительно ускорить нагрев металла. На поду печи поддерживается, как правило, нулевое или небольшое избыточное давление Р = (0÷5)Па. Нарушение этого условия приведёт к негативным последствиям:  При Р ≤ 0Па – подсос холодного. воздуха в рабочее пространство печи (РП), как следствие, снижение температуры РП и усиление окислительных процессов на поверхности нагреваемых заготовок.  При Р > 5Па – утечка продуктов горения в помещение цеха (в т. ч. угарного газа), значительная потеря тепла, перерасход топлива. Таким образом, от умения управлять давлением газов зависит экономичность и качество нагрева, а также, условия труда. Установлено и проверено на практике следующее: – законы гидравлики (многие) могут быть применены к печным газам; – знание этих законов позволяет определять размеры печей и составляющих их элементов; – вычислять затраты энергии на перемещение газов; – влиять на скорость нагрева и качество нагреваемого металла. Различают:  Свободное или естественное движение газов – движение вследствие разной плотности различных слоев газа.  Вынужденное или искуственное – движение газа под действием разности давлений, вызываемой внешними причинами (вентиляторами, горелками, форсунками и т.д.). В Н.П. чаще встречается вынужденное движение, хотя бывает и свободное. Существует также 2 вида движения потока газа:  Турбулентное – хаотическое движение газа вдоль и поперек канала;  Ламинарное – параллельное движение струй газа, струи не перемешиваются (Число Рейнольдса Re≤2300!). Движение газов в рабочем пространстве печи (Р.П.) Характер движения газов в рабочем пространстве нагревательной печи тесно связан с теплообменом, конструкцией и назначением печи и определяется следующими факторами: – расположением горелок (форсунок); – расположением каналов для отвода продуктов горения; – динамическим взаимодействием струй созданных горелками или форсунками; – режимом давления в печи. Максимальная температура (toC) развивается в том месте, где сжигается топливо, т.е. там, где установлены горелки (форсунки). Сжигание топлива может быть сконцентрировано с одной стороны печи или рассредоточено по длине. Расположив при этом соответствующим образом каналы для отвода продуктов горения, получают камерную или методическую печь. При методическом нагреве топливо сжигают с одной стороны печи (горелки установлены в торце выдачи металла), а дымовые газы удаляются с другой стороны печи (различают зоны по длине печи – томильную, сварочную и методическую). Продукты горения проходят по печи навстречу металлу и постепенно отдают ему часть тепла, а сами остывают, что способствует снижению температуры уходящих газов и повышению эффективности работы печи. Температурный режим в этом случае, характеризуется изменением температуры по длине печи. При большом объеме печи (в этом случае размеры струи не велики по сравнению с камерой сгорания) наблюдается резко очерченная форма струи, сечение которой имеет коническую форму. Увеличение сечения и падение скорости происходит из-за трения между струей и окружающей средой. Скорость истечения струи по сечению не одинакова. При большом объеме печи (в этом случае размеры струи невелики по сравнению с камерой сгорания) наблюдается резко очерченная форма струи, сечение которой имеет коническую форму. Увеличение сечения и падение скорости происходит из – за трения между струей и окружающей средой. Скорость истечения струи по сечению не одинакова. Рис.6.1. Движение газов в методических печах. Верхняя схема – правильная организация; нижние схемы – неправильная организация. Рис.6.2. Движение газов в камерных печах. – а,б – неправильная организация движения газов. Удаление горячих ПГ через свод или окно на противоположной горелке стене + подсос холодного воздуха.; – в,г – рациональная организация движения газов. Интенсивность давления газов в печи зависит от соотношения размеров рабочей камеры и струи, ее направления и скорости истечения (чем выше Vструи, тем интенсивнее циркуляция продуктов горения). Однако с повышением скорости резко возрастает разность давлений по длине рабочего пространства, что может приводить к разрежению (отрицательному давлению) на поду рабочей камеры и подсосу в нее холодного воздуха. При такой скорости струи, а отсюда слабой циркуляции газов, в отдельных местах Р.П. могут образовываться застойные зоны, что нарушает правильный теплообмен. Задачи, решаемые при выборе и размещении горелок: – обеспечить равномерность нагрева металла; – выполнить ряд эксплуатационных требований; –создать интенсивную циркуляцию, используя разрежение, создаваемое у горелок (форсунок) струей выходящей из них газо-воздушной смеси.  Скорость выхода топлива и воздуха из горелки (форсунки) выбирают на основании данных по струям. Струи не должны бить в противоположную стенку. На противоположных стенках горелки устанавливают в шахматном порядке. Не следует их устанавливать напротив и вблизи окон (во избежание выброса – подсоса). Давление в рабочем пространстве определяется действием струй потока продуктов горения и дымовой трубы. Рациональным является минимальное избыточное давление на поду печи Р=(0÷5)Па (см. рис.6.3.), что, в значительной степени, обеспечивается дымовой трубой. Рис.6.3.График давления газов в печи. Её работа осуществляется так, чтобы на уровне пода поддерживать нулевое давление, выше – избыточное, а ниже разрежение. На величину давления можно влиять шибером. Шибер (задвижка)– искуственное сопротивление, величину которого можно регулировать путём подъема – опускания его. Давление также регулируют изменением скорости истечения струи и надлежащей установкой горелок (форсунок), т.к. оно растет пропорционально скорости истечения струи и квадрату количества сжигаемого топлива. Так например, подогрев воздуха обеспечивает увеличение его объема и объёма продуктов горения и, как следствие, увеличение скорости движения газов, т.е. обеспечивает рост давления при неизменном расходе воздуха. При этом давление регулируют шибером (см. рис.6.4.). В печах с малыми размерами рабочего пространства. движение газов резко изменяется на близком расстоянии от топливо – сжигающего устройства и картина установившегося движения не поддается расчету. Системы удаления продуктов сгорания П.Г. удаляются из Р.П. больших печей в борова соединяющие печь с дымовой трубой. В малых и средних нагревательных печах продукты горения удаляют в одну трубу на несколько печей или в общецеховую вентиляцию с помощью дымососов. Дымовые газы удаляются через отверстия в поду печи, боковых стенках, а иногда в своде печи. Рис.6.4. Схема удаления продуктов горения из методической печи. Печь – 1, боров – 2, шибер – 3, труба – 4. Сечение боровов определяют задаваясь скоростью потока газа: , где: – V – расход дымовых газов, м3/с;  – W – скорость движения продуктов горения, м/с; принимают W=1,5–3м/с; 1,5м/с – при tг=300–400оС; 3 м/с – tг=600–800оС. Минимальное сечение боровов 500х600мм (это обеспечивает возможность человеку делать чистку их от копоти). Дымовые трубы служат для создания разрежения («тяги») при удалении продуктов горения из печи. Бывают трубы: кирпичные, железобетонные и железные. Чем выше труба, тем сильнее разрежение, создаваемое с её помощью, но при этом возрастает её стоимость. Применяют трубы индивидуальные на крупные печи и одну трубу на несколько небольших печей. Расчет необходимого разрежения ведут по наиболее удалённой печи с учетом реального количества газов на каждом этапе дымохода. Расчетное разряжение на пути движения газов от печи до основания трубы увеличивается на (20 – 30)% с учетом возможности форсирования теплового режима печи, засорения дымоходов, разрушения кладки, прогорания шиберов и т.д. «Тяга» регулируется с помощью (заслонки) шибера, которые бывают: – с водяным охлаждением и без водяного охлаждения; – с механизмом подъёма или с ручной регулировкой. Для печей с котлами утилизаторами и последовательно установленными воздушными или газовыми рекуператорами применяют системы с дымососами. Каждый котел – утилизатор имеет отдельный дымосос. Продукты горения после котла – утилизатора или рекуператора выбрасываются из дымососов в атмосферу через трубы сравнительно небольшой высоты, достаточной для предотвращения загрязнения ближайшей окружающей среды. Известны два метода для устройства искуственной «тяги» – прямого и непрямого действия (косвенный – эжекционный метод).    а      б      с Рис.6.5. Схемы устройств искуственной «тяги» а и б – непрямое действие. Разрежение создаётся за счёт эжекции. Недостатки: –.а – низкая стойкость вентилятора; – б – подстуживание потока и уменьшение разрежения; с – прямое действие, все продукты горения проходят через вентилятор. Недостаток: очень низкая стойкость вентилятора. Используют винтовые и центробежные вентиляторы. Их выбирают по каталогам и номограммам для создания необходимого разрежения и обеспечения расчётного расхода отходящих газов. Устройства для использования вторичного тепла. Рекуператоры бывают: 1) газовые – для подогрева газа; 2) воздушные – для подогрева воздуха (разнообразных конструкций). При этом температура подогретого воздуха tоС=300 – 400оС для обычной печи, и tоС=800–1000оС для печей безокислительного нагрева. Различают:  металлические и керамические рекуператоры;  трубчатые, игольчатые, радиационные и термоблоки. На рисунке представлены:    – рекуператор термоблок; – трубчатый рекуператор. Регенераторами, как правило, оснащают большие печи с индивидуальными, дымовыми трубами. Это подземное строение печи с развитой кладкой. Воздух греть экономичнее, его расход в 10 раз больше чем газа. а б Рис. 6.6. Устройства для использования вторичного тепла: – а – рекуператоры; – б – регенератор. Расчет сопротивлений при движении газов Расчет движения газов в печи сводится в основном, к подсчету сопротивлений движению газов по всему тракту – подвод к печи (топливо + воздух) – движение в печи (движение П.Г. –удаление П.Г.) с учётом перехода одного вида напора в другой. Различают следующие виды сопротивлений при движении газов в печах:   – Гидростатическое – на вертикальных участках пути;   – Сопротивление трения – на прямолинейных участках;   – Местные сопротивления – потери давления на поворотах в сужениях, расширениях, шиберах, заслонках и т.д. Гидростатическое сопротивление: Вертикальный канал: , где: – Н – высота канала; – g – ускорение свободного падения тела; – ρв – плотность окружающего воздуха при Н.Ф.У. ρ=1,29кг/м3; – ρt – плотность газа при средней высоте канала и данной температуре. Если горячие газы движутся вверх по каналу, то величину гидростатического давления прибавляют к силам совершающим полезную работу. Это позволяет небольшим печам работать без дымовых труб. Удаление газов происходит за счет подъемной силы (гидростатического давления) в вертикальных отводящих каналах, и затем, в вытяжную вентиляцию. Потери давления на трение по длине прямолинейного участка равны разности удельной потенциальной энергии в начальном и конечном сечениях, получающейся вследствие трения о стенки трубопровода. – формула Дарси, где: – λ – коэффициент потерь на трение по длине канала L. Он зависит от физических свойств канала и скорости движения потока. Например: – стенки канала: – 1. – Гладкие – металлическая поверхность; – 2. – Шероховатые – кирпичная стена. Кирпичная стена      Металлическая     – L – длина канала; – Dг – диаметр канала; – W – скорость потока; – ρ – плотность газа. Кроме гидростатических потерь и потерь на трение имеют место потери на местных сопротивлениях, которые возникают при внезапном изменении сечения или направления потока. При этом отдельные струи не сразу меняют свое направление, а в сечении канала образуются завихрения (мертвые зоны). Потери энергии, связанные с образованием вихрей, называются потерями в местном сопротивлении (МС). Потери давления на местных сопротивления вычисляют по формуле: ζ, где: – Wo и ρо – скорость и плотность газа при нормальных физических условиях (НФУ); – β – температурный коэффициент β=1/273; – ζ – коэффициет местных (потерь) сопротивлений. Его величина зависит от: – вида местных сопротивлений; – их геометрических размеров и степени открытия (запорных органов). Разновидности местных сопротивлений: – внезапное расширение; – внезапное сужение; – повороты; – тройники; – запорные приспособления и др. Расходящиеся каналы:  Если α<14о – движение газов аналогично прямому каналу, но т.к. F1W2, т. е. происходит переход кинетической энергии потока в гидростатическое давление. Рис.6.8.Расходящиеся каналы. Возможны вихри. В месте образования вихря W=0, происходит зажим потока к противоположной стенке, т.е. значительные завихрения возможны только у одной стенки. В случае изменения направления потока (W1): Рис. 6.9.Поток меняет направление на входе в М.С. В местах завихрения W=0 давление резко возрастает. В печах много таких мест, в которых поток меняет свое направление. Вблизи мест поворота и изменения сечения возникают застойные зоны и различные вторичные течения и скорости здесь значительно превышают средние значения, определяемые путем деления расхода на сечение канала.  Поворот канала на 90о. В канале возникают вихри (1) сужающие поперечное сечение канала, а так же поперечные циркуляции. Уменьшить вихревые зоны можно путем закругления канала или установки направляющих лопаток (2). Рис.6.10. Поворот потока на 90о. Потери давления на местных сопротивлениях вычисляют по формуле Дарси: , где: –Wo и – скорость и плотность газа при нормальных физических условиях; –  – температурный коэффициент – ; – коэффициент местных (потерь) сопротивлений. Он зависит от: – вида местных сопротивлений; – геометрических размеров и степени открытия (запорных органов);