книги из ГПНТБ / Грачев В.А. Современные методы плавки чугуна

ки до вершины конуса холодного ядра наблюдается расширение факела.

Закономерности расширения струи газа при факельном горе­ нии можно установить на основе закона сохранения массы, пред­ ставленного в виде уравнения неразрывности для потока сжигае­ мого газа (рис. 27 а):

R-T

т. е. плотность газа прямо пропорциональна его молекулярному весу ц, и его давлению р и обратно пропорциональна абсолютной температуре Т. Следовательно,

90

или

где коэффициент k определяется опытным путем.

В условиях стабильного турбулентного факельного горения на­ блюдается синхронизация процесса подвода газовоздушной смеси к фронту горения с циклом отвода продуктов сгорания от этого фронта и последующего частичного их возвращения к поверхности внутреннего конуса, т. е. к новым порциям газовоздушной смеси. Факельное горение в турбулентном потоке может быть стабильным и непрерывным при условии, если скорость перемещения газа по по­

Пройденный путь равен произведению скорости на время. По­ скольку время и скорости в обоих случаях равны, то l = S.

Подставляя значения d§ и /в , получим

,n-k2-d0

91

Общая длина факела равна сумме

= - ( * - * 2 - ь К K - - k 2 — i ) .

Угол раскрытия факела по прямой линии от кромки выходного

турбулентная зона факела следует за первой и расположена в пре­ делах ADEF (рис. 276). В этой турбулентной зоне происходит от­ вод продуктов сгорания газа от горячего ядра факела. В ней воз­ можно догорание газа, если горение не заканчивается в горячем ядре факела.

Диаметр турбулентной зоны в конце факела можно приближен­

размеры газодинамических зон факела при сжигании газовоздуш­ ной смеси стехиометрического состава.

Влияние геометрической формы сопла и туннеля горелки на га­ зодинамику факела. В литературе по газодинамике принято назы­ вать расширяющуюся трубу диффузором, а сужающуюся — конфузором. Обычно сопло горелки выполняют в виде конфузора, а тор­ цевую стенку туннеля у выходного отверстия сопла делают диффузорной.

Экспериментальные исследования на моделях показали, что в конфузорах ламинарное движение газа более устойчиво, а турбу­ лентное движение наступает при значительно больших числах Рейнольдса, чем для труб постоянного сечения. Поле скоростей в конфузоре более выравнено и профиль скоростей более пологий по сравнению с прямой трубой. В связи с отсутствием завихрений вос­ пламенения и горения «холодной» газовоздушной смеси в конфузоре сопла не наблюдается.

Таким образом, установленная практикой форма сопла горелки в виде конфузора является правильной. Сопло горелки рационально выполнять с конфузорностью в пределах от 5 до 25°. Опыты пока­ зали, что оптимальное значение угла конфузорности сопла равно 13°. Выполнение сопла в виде конфузора уменьшает опасность про­ скока пламени в горелку при снижении скорости выхода газовоз-

92

душной смеси из канала сопла, что объясняется свойством конфузора стабилизировать поток, гасить вихревое движение газа.

Для устойчивого симметричного факельного горения газовоздуш­ ной смеси диффузорность туннеля у выходного отверстия сопла должна быть больше 50°. Далее стенки туннеля могут быть ци­ линдрическими или расширяющимися в виде диффузора. Выпол­ нять туннель в виде конфузора нерационально, так как конфузорность снижает турбулентность в потоке, а следовательно, способст­ вует удлинению пути горения газовоздушной смеси.

Горение газовоздушной смеси при ограничении факела стенками. Практикой установлено, что на процесс горения газовоздушной смеси большое влияние оказывают размеры и форма туннеля.

Опыты, проведенные на моделирующих установках и стендах для испытания горелок, показали, что основная роль туннеля как стабилизатора процесса факельного горения сводится к ограниче­ нию свободного пространства, из которого может поступать холод­ ный газ (или воздух) в турбулентную область факела. С увеличе­ нием скорости выхода газовоздушной смеси из сопла горелки пря­ мо пропорционально ускоряется турбулентное перемешивание газа в вихревой области факела. Количество газа, увлекаемого свобод­ ным факелом из окружающего пространства, возрастает, что приво­ дит к снижению температуры в вихрях, изменению вязкости газов и отрыву пламени. Для стабилизации процесса горения при больших скоростях выхода газовоздушной смеси из сопла горелки (Re> >5500) газы окружающего пространства должны иметь или высо­ кую температуру (выше 800°С) или пространство за пределами фа­ кела должно быть ограничено стенками, препятствующими поступ­ лению больших количеств холодного газа в вихревую область фа­ кела Б (рис. 27а).

При выполнении стенок из огнеупорного материала происходит частичный возврат теплоты от нагретых поверхностей потоку газов, что способствует стабилизации факельного горения.

Исследование процессов высокотемпературного сжигания при­ родного газа применительно к условиям газовых вагранок. Газовая вагранка — высокотемпературный тепловой агрегат.

Тепловые условия, близкие к газовым вагранкам, достигались при сжигании газовоздушной смеси в экспериментальном агрегате, который состоял из теплоизолированной камеры сжигания и горелочной системы, оборудованной контрольно-измерительными и ре­ гулирующими устройствами.

Многосопловая горелочная система, примыкавшая к теплоизо­ лированной камере сжигания, имела общий смеситель таза с воз­ духом. Из смесителя газовоздушная смесь распределялась по горелочным соплам, сообщающимся с камерой сжигания. До входа в смеситель контролировались статические давления, общие расходы

93

Камера сжигания футеровалась шамотным кирпичом, а затем облицовывалась высокоглиноземистыми огнеупорными изделиями, содержащими 62—72% A I 2 O 3 . На сопла горелочной системы наде­ вались огнеупорные трубки, внутренние полости которых образовы­ вали горелочные туннели.

Опыты показали, что длина туннеля, стабилизировавшаяся в процессе оплавления шамотных трубок закрытым факелом, ZT . с зависит от DT — d0. DT —диаметр туннеля). По данным замеров

с увеличением D T , стабилизируясь при ——— ^2,46 . Получена

Для случая беспрепятственного развития закрытого теплоизоли­ рованного факела максимальная относительная длина зоны воспла­

Следовательно, размеры цилиндрических горелочных туннелей га­ зовых вагранок надо выбирать такими, чтобы стенки туннеля не нарушали интенсивный газодинамический процесс в горящем фа­ келе, а лишь преграждали доступ в факел «охлажденных» продук-

94

тов сгорания из камеры сжигания, которые в случае поступления в большом количестве в факел снижают температуру и скорость хи­ мических реакций горения. За цилиндрической частью туннеля сле­ дует располагать камеру сжигания, которая при минимальном объ­ еме должна представлять собой усеченный конус с диаметром у

цилиндрического туннеля ^ Z)T -f- — и углом расширения стенок

3

Опытами установлено, что в теплоизолированном объеме, за­ полненном горячими газами с температурой > 800°С, происходит непрерывное поджигание газовоздушной смеси и при 20 < шс < 30 нм/сек отрыв пламени от сопла горелки не наблюдается. По мере повышения температуры в горелочных туннелях и в камере сжига­ ния процесс горения газа все более стабилизируется, а влияние ско­ рости выхода газовоздушной смеси из сопла горелки на длину фа­ кела уменьшается. При температуре внутренних огнеупорных сте­ нок туннеля больше 1700°С происходило стабильное факельное го­ рение газовоздушной смеси до скорости выхода газовоздушной смеси из сопла горелки 110 нм/сек.

Влияние скорости истечения газовоздушной смеси из горелочного сопла на тепловые и геометрические параметры закрытого фа­ кела. Экспериментами по сжиганию газовоздушной смеси, прово­ дившимися применительно к условиям работы газовых вагранок, установлено, что при d0 = const и прочих одинаковых исходных данных с увеличением скорости выхода газовоздушной смеси из сопла горелки температура в закрытом факеле повышается, причем до скорости 70 нм/сек происходит значительный прирост темпера­ туры, а затем температура в факеле возрастает незначительно. С увеличением скорости выхода газовоздушной смеси из сопла го­ релки o j c прямо пропорционально повышается тепловая нагрузка факела, определяемая как произведение низшей теплотворной спо­ собности природного газа QP H на расход сжигаемого газа. При этом длина закрытого факела /ф .принятая как расстояние от сопла

волинейной зависимости, указывающей на то, что по мере возрас­ тания скорости юс ее влияние на длину закрытого факела /ф уменьшается.

Математическая обработка полученных результатов позволила установить следующие зависимости:

95

Т а б л и ц а 18

ментальными данными (табл. 18), полученными для закрытых, теп­

в формуле длины факела Б. И. Китаева, в результате чего формула приняла следующий вид:

/ ф =2,293' о)с0 , 3 4 - do'8 3 .

Из анализа полученных данных следует, что в теплоизолирован­ ных объемах рационально сжигать газовоздушную смесь при ю с ; > 70 нм1сек. В этом случае достигаются высокие температуры в факе­ ле, а относительная длина факела увеличивается незначительно.

ной смеси может быть достигнуто при малых диаметрах сопел горелочной системы.

Оптимизация процесса сжигания природного газа в газовых ваг­

расчетные величины действительной температуры к практическим значениям и установить связь между 7"т а Х ф и Тп в виде уравнения:

Т т а х - Ф = 2008,8 + 0 , 4 7 П .

96

МО,1

mo / /

2U0

а о п т =1,0012 - 0,000128 7П .

За пределами факелов температура газов снижается в связи с эндотермическими реакциями и излучением газового потока. Так,

98

в камере сжигания наблюдались максимальные температуры, рав­ ные 2003; 2023; 2043; 2 0 6 3 ° К , при коэффициентах расхода воздуха «опт , равных соответственно 0,98; 0,97; 0,96; 0,95.

Математической обработкой результатов замеров термопарами максимальной температуры в камере сжигания 7 т а Х к установлена зависимость

7 П = 3 , 9 0 6 7 т а х к - 7 б 5 8 .

Изменение температуры в факеле 7 Ф в зависимости от а носит криволинейный характер (рис. 28) и описывается следующими урав­ нениями: при 0 , 8 < а < а о п т .

7 К ^ 7 Ф - 0 , 1 4 4 7 п - 4 8 , 2 .

В табл. 19 приведены средние значения опытных данных отно­ сительной длины закрытого факела - ^ - и относительной длины зо-

ны воспламенения __в_ в зависимости от коэффициента расхода

«'о

воздуха а при стабильном высокотемпературном сжигании газа и