книги из ГПНТБ / Щукин А.А. Экономия топлива в черной металлургии. Повышение тепловой эффективности огнетехнических агрегатов

горелки. При этом из-за весьма малой толщины слоя горящей смеси, движущейся вдоль поверхности кладки, и значительного градиента температур в направлении, нормальном слою; основным видом тепло­ передачи от факела к кладке является конвекция. В то же время указанный характер движения продуктов сгорания в факеле опре­ деляет радиационный теплообмен с поверхностью нагрева. Конвек­ тивная теплопередача от факела к нагреваемым заготовкам при этом отсутствует, поэтому локальных перегревов нет. Косвенный радиа­ ционный теплообмен в печах, снабженных плоскопламенными горел­ ками, происходит при сжигании газа вблизи от поверхности кладки. Специфика теплообмена в данном случае состоит в том, что благодаря существованию тонкого слоя горящей на поверхности смеси и зна­ чительной неравномерности температурного поля в камере, в послед­ ней как бы существует две зоны: первая из них — зона горения, на границе которой с поверхностью кладки происходит теплоотдача от горящей смеси к кладке. Толщина этой зоны может быть принята равной осевой протяженности зоны реакции. Как показали исследо­ вания, толщина зоны горения практически не зависит от размеров топочной камеры. Вторая зона — зона теплообмена между раскален­ ной кладкой (стенами или сводом, где установлены горелки) и тепловоспринимающей поверхностью и другими элементами кладки при лучепоглощающей среде. Толщина зоны теплообмена равна расстоя­ нию между фронтовой стенкой и поверхностью нагрева за вычетом толщины зоны горения. Исследования, проведенные в последнее время, показали возможность существенной интенсификации про­ цессов внешнего теплообмена при работе горелок в режиме косвен­ ного радиационного теплообмена. Усилению теплоотдачи от горя­ щего факела к туннелю и кладке способствует закрученный характер движения потока, благодаря дополнительной турбулизации и уве­ личению локальных скоростей обтекания поверхности. Особенностью плоскопламенных горелок является способность создавать равно­ мерное поле тепловых потоков и температур на значительных тепловоспринимающих поверхностях. Равномерность полей тепловых потоков, достигаемая в режиме косвенного направленного радиа­ ционного теплообмена при сжигании газа с плоскопламенными горелками, намного превосходит соответствующие характеристики, полученные при использовании других горелочных устройств кос­ венного нагрева. Таким образом, плоскопламенные горелки'создают в топочных камерах режим косвенного направленного радиационного теплообменаГразомкнутый факел, имея направление движения вдоль поверхности кладки, раскаляет последнюю за счет конвективной теплоотдачи. Кладка'в свою очередь переизлучает тепло на поверх­ ность нагрева. Основным достоинством плоскопламенных горелок является их способность создавать равномерное поле тепловых потоков и температур на нагреваемой поверхности даже при сравни­ тельно небольших расстояниях от кладки до тепловоспринимающей поверхности. Такой нагрев позволяет полностью исключить локаль­ ные перегревы и повысить суммарную теплоотдачу от факела к нагре­ ваемой поверхности. Результирующий тепловой поток, воспринятый

170

нагреваемой поверхностью при условии, что кладка — излучатель

приведенный коэффициент излучения кладки, учитывающий откло­ нение от коэффициента излучения абсолютно черного тела, вызы­ ваемое истинной степенью черноты кладки ек , а также определяемый долями конвективного и лучистого тепла в теплоотдаче к кладке; <2ф. конв = а к о н в (Тф— Тк) — тепловой поток от факела, передавае­ мый кладке конвекцией.

Физический смысл выражения (VI. 10) следующий: два первых члена в квадратных скобках дают величину лучистого потока от кладки к металлу с учетом поглощения слоем продуктов сгорания, а третье слагаемое показывает, какая доля излучения факела отда­ ется материалу после отражения от кладки.

Величина а К 0 Н в (Тф — Т м ) при использовании плоскопламенных горелок может не учитываться. Анализ уравнения (IV. 10) показы­ вает, что поверхность нагрева воспринимает тепло только излуче­ нием от кладки. Так как толщина слоя горения при использовании плоскопламенных горелок составляет всего 100—200 мм, а распре­

играет отрицательную роль, выступая как лучепоглощающая среда на пути потока от кладки на металл.

Плоскопламенные горелки различного типа не равноценны в отношении создаваемой ими степени равномерности полей темпе­ ратур и тепловых потоков на тепловоспринимающие поверхности.

171

По степени равномерности полей температур и потоков минимальные отклонения локальных тепловых потоков от усредненной по поверх­ ности величины (8—9%) имели плоскопламенные горелки Института газа АН УССР. Поэтому при конструировании тепловых агрегатов с плоскопламенными горелками следует стремиться к максималь­ ному приближению поверхности нагрева к кладке (где установлены

и в о з д у х а

горелки), ограничивая расстояние между последними величиной, необходимой для выравнивания полей температур и тепловых пото­ ков.

Представляет интерес рациональная беспламенная горелка с излу­ чающей чашей конструкции Теплопроекта (рис. 58). При большой тангенциальной скорости ввода газа и воздуха получается тщательно перемешанная смесь, которая сгорает в тонком слое вблизи плавнорасширяющейся огнеупорной чаши. Температура развивается очень высокая и чаша является очень хорошим излучателем.

Рекуператорыые горелки с высоким подогревом воздуха

В ФРГ применяются в печах безокислительного нагрева рекуператорные горелки для сжигания природного и коксового газа. На рис. 59 представлена схема камерной печи, оборудованной че-

172

тырьмя высокоскоростными горелками рекуператорного типа. Про­ дукты сгорания при выходе из горелки имеют скорость —150 м/сек; за счет высокой скорости они вызывают интенсивную циркуляцию газов по продольной оси печи. Теплопередача к нагреваемым изде­ лиям осуществляется частично за счет излучения факела, но в зна-

Р и с . 59. Схема камерной печи д л я б е з о к и с л и т с л ы ю г о нагрева

чительной части за счет конвекции; благодаря этому производитель­ ность печи по сравнению с обычными существенно возрастает. Печь вплоть до пода и горелочных камней выполняется из огнеупорного

OmcoceajoS инжектором

Рис . 60. Р е к у п е р а т о р н а я горелка с высоким подогревом в о з д у х а

легковеса с минимальной теплопроводностью и аккумулирующей

Высокий предварительный подогрев воздуха достигается за счет применения рекуператорных горелок, т. е. комбинации рекуператора и горелки. Горелка, представленная на рис. 60, состоит из трех

173

ческой печи, в которой заготовки предварительно подогреваются до 900° С в атмосфере полного сгорания и только при более высоких температурах доводятся до конечной температуры в восстановитель­

гретого до 300° С, при температуре воздуха 700° С. Продукты неполного сгорания обволакивают подаваемые навстречу заготовки восстано-

1

вительной защитной атмосферой. В своде печи предусмотрен ряд сопел для подачи вторичного, подогретого до 300° С воздуха. Таким образом, осуществляется дожигание продуктов неполного сгорания. При этом продукты первичного сгорания выгорают в верхней части печи; развивающееся тепло непосредственно или с помощью направ­ ленного под соответствующим углом свода излучается в зону первич­ ного сжигания, и таким образом используется для прямого нагрева заготовок. В точке, обозначенной на схеме 800° С, продукты полного сгорания (после дожигания) встречают заготовки и нагревают их

175

до температуры 800—900° С. Уходящие из печи газы с температурой > 1 1 0 0 ° С используются для нагрева в рекуператорах: первичного воздуха до 1100° С, горючего газа до 300° С и вторичного воздуха до 300° С. При этих условиях было достигнуто полное отсутствие окалины.

В Куйбышевском политехническом институте разработана [29] высокотемпературная радиационная горелка чашечного типа, отли­ чающаяся тем, что продукты сгорания перехватываются по периметру излучающей чаши, омывают тыльную сторону и отводятся за пределы фронта излучения горелки. В одном из вариантов горелки с встроенным рекуператором (рис. 63), подогрев газо-воздушной смеси производился во встроенном рекуператоре с двусторонним ореб-

350° С (фактически 352—384° С). Газо-воздушная смесь приготов­ лялась в инжекционном смесителе с активной воздушной струей, работающей от вентилятора среднего давления. Продукты сгорания просасывались через рекуператор эжектором, в котором в качестве активной струи использовалась часть воздуха, идущего на образо­ вание газо-воздушной струи. Повышение температуры горения газа при сжигании подогретой смеси привело к увеличению температуры поверхности чаши, количество излучаемого тепла и коэффициента прямой отдачи.

нагреваемого материала. Техника атакующих потоков, использующая

176

ваться при нагреве атакующими потоками, зависит от двух фак­ торов: оплавления поверхности и образования внутренних трещин. Образование трещин (внутренних разрывов) вызывается чрезмерным градиентом температур по толщине заготовки при условии, что внутренние слои обладают еще малой пластичностью. Высокий тем­ пературный градиент является результатом малой теплопровод­ ности внутренних слоев нагреваемого тела при высокой внешней теплоотдаче от газов к поверхности.

Во Франции были разработаны два варианта горелки туннель­ ного типа для нагрева атакующими потоками. В опытном образце

5

сжигалась смесь пропана с воздухом в стехиометрическом отношении,

на рис. 65, а. Горелки, работающие на пропане, имеют следующие характеристики [21]:

Зажигание может быть осуществлено у выходного конца горелки от постореннего источника. Это обеспечивается завихрением газа, создаваемым внутри туннеля, что создает рециркуляцию внутри атакующего потока. Винтовой завихритель предотвращает проскок пламени у входного конца горелки.

Были проведены исследования, при которых имели целью опре­ делить:

а) максимальные скорости нагрева стальных заготовок, которые можно осуществить в печи с атакующими потоками; б) темпера­ турный предел, при котором образование окалины и обезуглеро­ живание могут быть ограничены при быстром нагреве; в) возмож­ ность образования внутренних трещин и поверхностного плавления. Ниже приводятся результаты испытаний, включающие время и скорость нагрева болванок квадратного сечения разного размера до температуры 1200 °С:

При нагреве атакующими потоками основной механизм теплопере­ дачи резко меняется. В обычных печах прямого нагрева заготовки нагреваются в основном за счет излучения от газов и стен. Ниже приведено распределение видов теплопередачи в печи с атакующими потоками:

Большая доля конвекции в процессе теплопередачи может быть объяснена следующим образом. Энергия поступает в печь в виде кинетической и тепловой энергии продуктов сгорания в форме ударных атакующих потоков. Тепло, передаваемое садке за счет излучения от стен, должно сначала быть передано от газов к стенам. Эта непрямая передача тепла от стен к заготовкам протекает намного менее интенсивно, чем непосредственная передача тепла от газов к заготовкам по двум причинам: во-первых, нагрев атакующими потоками протекает с большим коэффициентом теплоотдачи к заго­ товкам, чем к стенам; во-вторых, средняя разность температур" между газами и заготовками значительно больше, чем между га­ зами и стенами.

Ускоренный нагрев стали путем прямого удара струи раскален­ ных газов о нагреваемую поверхность приводит к получению металла с характеристиками поверхности, отличающимися от имеющих место в обычных печах. Для испытаний были выбраны мало- и среднеуглеродистая сталь, стали, легированные Si и Mn, Cr, Ni и Мо, Сг и V. Образцы длиной 300 мм и сечением 50x50 мм подвергали нагреву в установке с прямым ударом струй об их поверхность, а затем охлаждали в атмосфере инертного газа. Сравнение свойств образцов после нагрева с характеристиками образцов, полученных при нагреве в обычных печах, показали, что обезуглероживание

времени нагрева. Опасность появления трещин вследствие терми­ ческих напряжений может быть устранена при использовании

178

скоростного нагрева в диапазоне температур > 750°, С. Описанный принцип может быть рекомендован для использования в промышлен­ ных условиях. В СССР скоростные горелки типа ГНПС разработаны и внедрены в промышленность институтом «Теплопроект» (рис. 66).

Газо-воздушная смесь сжигается в высокоогнеупорной камере сгорания туннельного типа и раскаленные продукты сгорания вытекают со скоростью ~200 м/сек и направляются на нагрева­ емые изделия. Горелки показаны на примере установки их на печи для скоростного нагрева заготовок.

Многосопловые инжекционные горелки большой производительности

К инжекционным горелкам большой производительности услов­ но относят горелки полного предварительного смешивания произ­ водительностью от 100 м3 /ч и выше, работающие при давлении газа перед соплом до 1,0 кгс/см2 . Область применения инжекционных горелок большой производительности — любые огнетехнические уста­ новки (печи, сушила, котлы) независимо от их температурного